Đặt vấn đề: Chất lượng nước, cho dù dùng để uống, hay với mục đích sinh hoạt, sản xuất thực phẩm, phục vụ giải trí đều ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Theo Tổ chức Y tế thế giới (WHO, 2000) mỗi năm có 2 triệu người chết do tiêu chảy liên quan đến nước bẩn và vệ sinh môi trường kém (phần lớn là trẻ em dưới 5 tuổi) và có hơn một tỷ người không được tiếp cận với nguồn nước sạch. Vì vậy, việc xử lý nguồn nước và lưu trữ an toàn sẽ cải thiện đáng kể chất lượng nước uống và giảm nguy cơ gây bệnh tiêu chảy, các loại dịch bệnh lây truyền qua nguồn nước, đảm bảo sức khỏe và cuộc sống của những người sống chủ yếu dựa vào nguồn nước từ các dòng sông, hồ bị ô nhiễm và trong một số vùng sử dụng nguồn nước giếng, nước máy không an toàn [1]. Khử trùng là giai đoạn cuối cùng trong quy trình xử lý nước, nhằm mục đích tiêu diệt các loại vi sinh vật có hại trong nguồn nước, được xem là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong ngành cấp nước.
Mang những ưu điểm vượt trội về giá thành, tính phổ biến, clorine là một trong số các chất khử trùng đã và đang được sử dụng ở hầu hết các công trình cấp nước hiện nay. Tuy nhiên, việc sử dụng các chất khử trùng này sẽ làm sản sinh các chất độc hại khi dư lượng sau quá trình xử lý của chúng kết hợp với các hợp chất hữu có có trong nguồn nước, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do đó, việc tìm kiếm các chất khử trùng có hiệu quả cao, thân thiện với môi trường, an toàn với con người là một trong những vấn đề đã và đang được quan tâm. Chất xúc tác quang TiO2, một trong những hướng nghiên cứu mới trong ngành cấp nước, có khả năng sinh ra các gốc tự do có hoạt tính oxy hóa mạnh như •OH, O2• - và H2O2 được tạo ra từ bề mặt TiO2 có khả năng tiêu diệt các vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ ô nhiễm trong nguồn nước, không làm phát sinh các sản phẩm trung gian hoặc các chất độc hại đối với con người.
Trong đó, có nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa vật liệu nano TiO2 và đặc biệt là Ag –TiO2, vật liệu kháng khuẩn. Sử dụng vật liệu Ag –TiO2 cho mô hình xử lý, vật liệu này hứa hẹn tạo ra đột phá SVTH: HỨA HOÀNG ANH 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tháng 7/2015 cho quá trình xử lý nước nước uống giá rẻ cấp cho vùng nông thôn. Vì vậy trong phạm vi đề tài này đã thiết lập mô hình xúc tác quang 1%Ag-TiO2-SiO2 kết hợp đèn UVC và đánh giá khả năng khử trùng của nó, sử dụng thông qua những thí nghiệm trên nguồn nước giả lập có chứa chủng E.coli, thí nghiệm trên nguồn nước thực ở phòng thí nghiệm (sông Hậu) và khi vận hành mô mình thực tế (sông Tiền) có đánh giá sơ bộ khả năng xử lý chất hữu cơ thông qua chỉ tiêu TOC. Mục tiêu nghiên cứu: Khảo sát hiệu quả mô hình xử lý nước quy mô hộ gia đình sử dụng vật liệu xúc tác quang Ag-TiO2 kết hợp đèn UVC trong việc khử trùng; đánh giá sơ bộ khả năng loại bỏ chất hữu cơ và chế độ vận hành tối ưu trên nguồn nước mặt ở Đồng bằng sông Cửu Long.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1. Đối tượng nghiên cứu Mô hình được thiết kế phù hợp để tạo điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý - Mô hình đèn UVC khử trùng nước uống. - Nguồn nước giả lập vi khuẩn E. - Nguồn nước khu vực Mêkông (sông Hậu, sông Tiền).
- Vật liệu 1%Ag-TiO2-SiO2. Phạm vi nghiên cứu: Khả năng khử trùng của mô hình, với vật liệu 1%Ag-TiO2-SiO2 phủ lên hạt kính cường lực kết hợp với nguồn sáng đèn UVC, khi vận hành với nguồn nước giả lập vi khuẩn E.coli và nguồn nước khu vực Mêkông (sông Hậu, sông Tiền). Nội dung nghiên cứu: Nội dung nghiên cứu bao gồm: Nguồn nước giả lập vi khuẩn E.coli ở phòng thí nghiệm: - Thí nghiệm với các lưu lượng bơm khác nhau nhằm chọn ra lưu lượng tối ưu (thời gian lưu tối ưu). - Thí nghiệm tìm ra khoảng pH thích hợp mà mô hình có thể xử lý tốt.
- Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình với các nồng độ vi khuẩn E.coli đầu vào thay đổi. SVTH: HỨA HOÀNG ANH 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tháng 7/2015 - Kiểm tra lại lưu lượng đã tối ưu được bằng phương pháp màng lọc Nguồn nước sông. Đánh giá hiệu quả khử trùng của mô hình đèn UVC với vật liệu khi vận hành mô hình với: - Nguồn nước sông Hậu tại phòng thí nghiệm với lưu lượng tối ưu. - Nguồn nước sông Tiền thực tế trong 2 tuần.
Phương pháp nghiên cứu: 1. Tổng quan các tài liệu nghiên cứu về vật liệu khử trùng Ag-TiO2 Đây là phương pháp tiếp cận với nhiều tài liệu khác nhau nhằm tiếp thu kiến thức lý thuyết, khai thác thông tin hay học tập kinh nghiệm của những công trình nghiên cứu, những ứng dụng thực tiễn đã triển khai, những ưu nhược điểm,… có liên quan đến vấn đề ta đang nghiên cứu. Các kiến thức này có thể khai thác từ các nguồn: sách vở, báo chí, kinh nghiệm, internet, nghiên cứu của những người đi trước,… 1. Phương pháp thực nghiệm mô hình, nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm.
Thiết kế, chế tạo và ứng dụng các mô hình ở quy mô phòng thí nghiệm (lab- scale) để nghiên cứu hiệu quả khử trùng E.coli bằng vật liệu 1%Ag-TiO2-SiO2 1. Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu. Các phương pháp thí nghiệm được áp dụng bao gồm: - Phương pháp điều chế vật liệu 1%Ag-TiO2-SiO2. - Phương pháp phủ lớp phim mỏng 1%Ag-TiO2-SiO2 trên kính cường lực.
Các phương pháp phân tích được sử dụng bao gồm: - Các phương pháp phân tích tính chất hoá lý của lớp phim mỏng 1%Ag-TiO2- SiO2 : Diện tích bề mặt riêng, độ tinh thể hoá, hình thái bề mặt. - Các phương pháp phân tích E.Coli trong nước. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu. Sử dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích và tối ưu hoá quá trình thí nghiệm.
Đồng thời sử dụng các phương pháp thống kê toán học để xử lý số liệu nghiên cứu. SVTH: HỨA HOÀNG ANH 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tháng 7/2015 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần hiểu rõ hơn khả năng khử trùng, loại bỏ TOC của mô hình sử dụng 1%Ag-TiO2-SiO2 trong xử lý nguồn nước mặt ở Đồng bằng sông Cửu Long, cụ thể là nguồn nước sông Tiền, sông Hậu. Từ đó, tìm ra những điều kiện tối ưu để tối ưu hóa hệ thống xử lý nước cấp này nhằm triển khai nhân rộng mô hình ứng dụng cho vùng nông thôn Việt Nam.
Tính mới của đề tài: Hiện tại ở Việt Nam, các công trình nghiên cứu về chất xúc tác quang TiO2 chỉ ở giai đoạn bước đầu, còn hạn chế về số lượng và khả năng áp dụng thực tế. Hàng loạt các nghiên cứu với mục đích làm tăng hoạt tính của TiO2 đã được triển khai, trong đó có sự kết hợp Ag-TiO2, đã minh chứng rằng loại vật liệu này có hoạt tính cao hơn so với TiO2 riêng lẽ. Sự biến đổi bề mặt TiO2 với kim loại Ag được chứng minh là một kỹ thuật hiệu quả, làm giảm những hạn chế của TiO2 trong việc tái kết hợp nhanh chóng các cặp điện tử vào lỗ trống và làm tăng cường hoạt tính diệt khuẩn. Xử lý COD, loại bỏ TOC, các vi sinh vật gây bệnh trong nước là một trong những tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu này, là một hướng đi mới hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích trong công nghệ xử lý nước, nhất là đối với nguồn uống hiện nay.
Bên cạnh đó, việc khảo sát TOC trước và sau quá trình xử lý nhằm đáng giá khả năng khoáng hóa của các hợp chất hữu cơ có trong nguồn nước, đặc biệt đối với nguồn nước có tồn tại dư lượng thuốc trừ sâu. SVTH: HỨA HOÀNG ANH 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tháng 7/2015 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Thực trạng về nguồn nước cấp ở Đồng bằng sông Cửu Long và các phương pháp khử trùng hiện nay: 2. Thực trạng nguồn nước cấp ở Đồng bằng sông Cửu Long: [1] Hiện nay ở vùng ĐBSCL có các loại hình cấp nước chủ yếu, bao gồm: công trình cấp nước tập trung, giếng khoan, giếng đào, bể chứa nước mưa, bể lọc chậm và lu chứa nước mặt hộ gia đình.
Theo khảo sát về tỷ lệ cấp nước ở vùng ĐBSCL năm 2012, người dân sử dụng nước lấy từ công trình cấp nước là chủ yếu. Tuy nhiên, tại một số vùng như: Sóc Trăng, Hậu Giang, Bạc Liêu tỷ lệ sử dụng nước giếng ngầm chiếm đa số. Tình trạng khoan nước dưới đất thiếu quy hoạch và không có kế hoạch bảo vệ nguồn nước, nguồn nước ngầm đã và đang đối mặt với vấn đề xâm nhập mặn trên diện rộng, ô nhiễm vi sinh và ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng, nhiều nơi đã phát hiện dấu hiệu ô nhiễm Coliform vượt quy chuẩn cho phép từ hàng trăm đến hàng nghìn lần (Vea, 2013). Bên cạnh đó, các công trình cấp nước trên địa bàn chưa cấp đủ lượng nước cho nhu cầu của người dân.
Trong tổng dân số nông thôn vùng ĐBSCL là trên 14 triệu dân, trong đó số dân được sử dụng nước hợp vệ sinh chỉ đạt 75,82% số dân, số dân sử dụng nước đạt QCVN 02:2009/BYT chiếm tỷ lệ 36,52% (Bộ Y tế, 2012).1: Sơ đồ hệ thống và công nghệ xử lý nước mặt SVTH: HỨA HOÀNG ANH 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tháng 7/2015 Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống và công nghệ xử lý nước ngầm Các công trình cấp nước hiện nay thuộc ĐBSCL hầu hết đều cấp nước đạt tiêu chuẩn hợp vệ sinh, tuy nhiên vẫn còn nhiều công trình không đảm bảo do công nghệ xử lý chưa phù hợp hoặc vận hành quản lý chưa đảm bảo chất lượng yêu cầu, đặc biệt đối với các trạm xử lý nước ngầm đơn giản, cấp nước không qua xử lý. Chất lượng nguồn nước tại đồng bằng sông Cửu Long ĐBSCL có 02 tuyến sông chính là: sông Tiền và sông Hậu từ đó chia ra nhiều nhánh nhỏ đổ ra Biển Đông. Theo kết quả quan trắc chất lượng nước thô (Báo cáo môi trường quốc gia 2012-Tổng cục Môi trường), mức độ ô nhiễm hữu cơ trên sông Tiền cao hơn sông Hậu. Hầu hết các giá trị COD, BOD5 đo được giai đoạn 2008 – 2009 đều đạt QCVN 08:2008/BTNMT (loại A2) được thể hiện ở hình 2.
