Đặt vấn đề Với sự gia tăng dân số, nhu cầu sử dụng tài nguyên thiên nhiên đã tăng lên kéo theo ô nhiễm môi trường và các nguồn nước cũng tăng theo. Sự gia tăng ô nhiễm nước này đã và đang gây lo ngại trên toàn thế giới. Mặc dù cả các quốc gia phát triển và đang phát triển đều đã tạo ra các quy chuẩn tùy theo mục đích sử dụng của nguồn nước để đảm bảo an toàn cho sức khỏe nguời sử dụng, nhưng ở phần lớn các quốc gia kém phát triển, các quy chuẩn có thể không được chính quyền địa phương thực thi hoặc có thể thiếu thông tin cập nhật hơn. Do đó, người ta thường thấy chất thải nguy hại được thải vào các nguồn nước và gây ra các vấn đề về môi trường và sức khỏe.
Khử trùng bằng clo đã được sử dụng trong hơn 100 năm, do tính hiệu quả của nó trong việc khử hoạt tính của vi khuẩn và vi rút. Clo cũng là chất khử trùng được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý nước thải đô thị do tính chất oxy hóa cao và dễ sử dụng. Tuy nhiên, bất lợi khi sử dụng hóa chất Clo để khử trùng nước là quá trình vận chuyển, lưu trữ và tạo ra dư lượng hóa chất trong nước. Ngoài ra, việc sử dụng Clo để khử trùng khi kết hợp với các chất hữu cơ trong nước tạo ra các chất gây ung thư.
Trong những năm qua, nhu cầu về các công nghệ khử trùng mới hơn ngày càng tăng. Ozone và tia cực tím là những lựa chọn thay thế khác để khử trùng nước. Đây là những phương pháp có hiệu suất cao, tuy nhiên không mang lại tính kinh tế vì để xây dựng một hệ thống này cần chi phí khá lớn. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các cách khử trùng nước và nước thải không chứa clo, vừa kinh tế vừa hiệu quả cao.
Có nhiều đề xuất về các cách xử lý nước mới hơn, một trong số đó là khử trùng điện hóa, dựa trên quá trình điện hóa nước bên trong lò phản ứng chứa các tấm điện cực với những vật liệu khác nhau đặt song song. Khử trùng điện hóa nước sử dụng nước làm chất điện phân. Trong khi nước tinh khiết là một chất dẫn điện kém, thì mặt khác, nước uống có chứa các khoáng chất, như canxi, magiê và natri, làm tăng khả năng dẫn điện của nó. Khi quá trình điện hóa xảy ra, quá trình oxy hóa và khử diễn ra, phân hủy nước thành oxy và hydro và ion clorua thành clo tự do và các sản phẩm phụ của clo.
Hệ thống khử trùng điện hóa thương mại thường sử dụng dòng điện một chiều, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra clo dư tự do và xử lý chỉ tiêu Coliforms trong nước. So với các phương pháp truyền thống yêu cầu nhiều hóa chất trong quá trình xử lý dẫn đến một dư lượng hóa chất có hại cho sức khỏe trong nguồn nước đầu ra. Phương pháp này mang đến sự linh hoạt khi có thể sử dụng các thể tích lò phản ứng khác nhau và số lượng tấm điện cực khác nhau. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tìm ra cấu hình kinh tế nhất của các điện cực, để đạt được sự bất hoạt của vi khuẩn Coliforms tuân thủ QCVN 01-1:2018/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt.
Tuy nhiên, khử trùng điện hóa còn chưa được phổ biến rộng rãi do nhiều yếu tố như: cần bảo trì định kì, yêu cầu người vận hành được trang bị đầy đủ kiến thức về công nghệ khử trùng điện hóa.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hướng đến mục tiêu khảo sát hiệu quả xử lý các chỉ số như: Coliforms, Permanganat, độ đục, độ màu và Chlorine của nước mặt lấy từ sông Sài Gòn bằng 1 Luận văn Thạc sĩ HVTH: Nguyễn Thành Đạt Nghiên cứu ứng dụng quá trình khử trùng điện hóa MSHV: 2270003 tại chỗ để xử lý nước sông phương pháp xử lý hóa lý kết hợp khử trùng điện hóa. Từ đó, so sánh mức độ hiệu quả của các loại điện cực khác nhau.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: ‐ Nội dung 1: Xác định khả năng khử trùng của vật liệu Graphite ‐ Nội dung 2: Biến tính vật liệu Graphite bằng phương pháp phủ lớp Cu2O lên bề mặt và xác định khả năng khả trùng của vật liệu mới trong điều kiện tối ưu. Tính toán chi phí xử lý của hệ thống.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: Mẫu nước mặt được lấy tại khu vực bờ kè Trường Sa, phường 17, quận Bình Thạnh, TP.HCM trên sông Sài Gòn. Mẫu nước được lấy cách bờ 2 mét.
Phương pháp lấy mẫu được thực hiện theo TCVN 6663-6:2018: Chất lượng nước- Lấy mẫu- Phần 6: Hướng dẫn lấy mẫu nước sông suối. Vị trí khu vực lấy mẫu Công nghệ điện hóa, các loại vật liệu điện cực 1.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm. Địa điểm tiến hành nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên Trường Đại học Bách Khoa cơ sở Dĩ An, Thành phố Dĩ An, tỉnh Bình Dương. Thời gian thực hiện: từ 06/2022 đến 05/2023 2 Luận văn Thạc sĩ HVTH: Nguyễn Thành Đạt Nghiên cứu ứng dụng quá trình khử trùng điện hóa MSHV: 2270003 tại chỗ để xử lý nước sông 1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài cho thấy được sự hiệu quả của công nghệ điện hóa trong xử lý nước cấp.
Công nghệ khử trùng điện hóa có thể loại bỏ hiệu quả các tác nhân gây ô nhiễm, mầm bệnh, vi khuẩn và các hoạt chất hữu cơ có trong nguồn nước. Nghiên cứu công nghệ này giúp cải thiện chất lượng nước và đảm bảo nước cấp sạch và an toàn cho sử dụng. Công nghệ khử trùng điện hóa có thể có hiệu suất cao và không tạo ra chất thải gây ô nhiễm môi trường như nhiều phương pháp xử lý khác. Nghiên cứu về công nghệ này giúp tăng cường hiệu quả xử lý và bền vững trong việc cung cấp nguồn nước sạch và bảo vệ môi trường.
Việc nghiên cứu công nghệ khử trùng điện hóa đóng góp vào việc phát triển và cải tiến công nghệ. Những nghiên cứu này có thể mang lại những tiến bộ mới trong công nghệ, giúp tăng cường hiệu quả, giảm chi phí và tối ưu hóa quy trình khử trùng điện hóa.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa đối với môi trường và các quá trình xử lý nước cấp. Công nghệ khử trùng điện hóa có thể loại bỏ hiệu quả các tác nhân gây ô nhiễm, mầm bệnh, vi khuẩn và các hoạt chất hữu cơ có trong nguồn nước. Nghiên cứu công nghệ này giúp cải thiện chất lượng nước và đảm bảo nước cấp sạch và an toàn cho sử dụng.
Trong tương lai, công nghệ điện hóa sẽ mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực xử lý nước. Công nghệ khử trùng điện hóa có thể tiết kiệm năng lượng so với các phương pháp truyền thống khác, như sử dụng hóa chất hoặc nhiệt độ cao. Nghiên cứu về công nghệ này giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước, tiết kiệm năng lượng và giảm thải gây ô nhiễm môi trường. Công nghệ khử trùng điện hóa có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý nước cấp, nước thải, nước bể bơi, nước công nghiệp và nhiều ứng dụng khác.
Nghiên cứu về công nghệ này tạo ra sự linh hoạt trong việc giải quyết các vấn đề xử lý nước khác nhau và đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp và cộng đồng.6 Tính mới của đề tài Đề tài có các tính mới đặc trưng đó là: - Sử dụng phương pháp điện hóa trong giai đoạn khử trùng để xử lý nước cấp - Khảo sát hiệu quả xử lý các điện cực như: Carbon felt, Ti, Graphite - Đánh giá được hiệu quả của các loại điện cực cũng như tính khả thi khi áp dụng công nghệ điện hóa vào thực tế. 3 Luận văn Thạc sĩ HVTH: Nguyễn Thành Đạt Nghiên cứu ứng dụng quá trình khử trùng điện hóa MSHV: 2270003 tại chỗ để xử lý nước sông CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan lý thuyết 2.1 Một số tính chất của nước mặt sông Sài Gòn Sông Sài Gòn dài 256 km, chảy dọc trên địa phận Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 80 km, có lưu lượng trung bình vào khoảng 54 m³/s, bề rộng tại Thành phố khoảng 225 m đến 370 m, độ sâu có chỗ tới 20 m, diện tích lưu vực trên 5000 km² [1]. Thành phố Hồ Chí Minh có hệ thống kênh ngòi dày đặc, tuy nhiên, phần lớn những kênh rạch này đã và đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nước thải sinh hoạt cũng như các khu công nghiệp, khu chế xuất [2]. Từ tháng 4 đến tháng 12 năm 2021, Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam đã triển khai 8 đợt quan trắc tại 100 điểm gồm 58 điểm nước mặt lục địa trên lưu vực hệ thống sông Đồng Nai (bao gồm: lưu vực sông Đồng Nai, lưu vực sông Sài Gòn, lưu vực sông Thị Vải, lưu vực sông Vàm Cỏ) và lưu vực sông Mê Công (sông Tiền), 12 điểm nước biển ven bờ và cửa sông ven biển tại khu vực biển Bà Rịa - Vũng Tàu, TP.
Hồ Chí Minh, Tiền Giang và khu vực cửa sông Đồng Nai, cửa sông Sài Gòn, cửa sông Thị Vải, cửa sông Tiền [3]. Chất lượng môi trường nước khu vực miền Nam theo chỉ số WQI( chỉ số chất lượng nước) năm 2021 [3] Kết quả quan trắc năm 2021 của Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam cho thấy, lưu vực sông Sài Gòn có chất lượng nước kém nhất trong 5 lưu vực sông thực hiện quan trắc tại khu vực miền Nam, mức độ ô nhiễm hữu cơ (đặc trưng bởi thông số COD) và ô nhiễm dinh dưỡng (đặc trưng bởi thông số N-NH4+) cao hơn các lưu vực sông còn lại [3]. HCM đang trên đà công nghiệp hóa hiện đại hóa với GDP bình quân đạt 9. Quá trình này kéo theo sự gia tăng dân số một cách nhanh chóng, tốc độ đô thị hóa ở khu 4 Luận văn Thạc sĩ HVTH: Nguyễn Thành Đạt Nghiên cứu ứng dụng quá trình khử trùng điện hóa MSHV: 2270003 tại chỗ để xử lý nước sông vực nông thôn đang diễn ra mạnh mẽ.
Hiện tại, nguồn nước sinh hoạt của thành phố cũng đang đối diện với nhiều thách thức lớn khi trên 90% nguồn nước sạch cung cấp cho sinh hoạt của Tp. HCM được lấy từ nguồn nước mặt sông Đồng Nai, sông Sài Gòn và kênh Đông [2].