Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội và đô thị hóa nhanh chóng, nhu cầu sử dụng nước sạch sinh hoạt tại Việt Nam ngày càng gia tăng, đặc biệt tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo báo cáo quan trắc môi trường miền Nam năm 2021, lưu vực sông Sài Gòn có chất lượng nước kém nhất trong các lưu vực sông khu vực miền Nam, với mức độ ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng vượt xa quy chuẩn quốc gia QCVN 01-1:2018/BYT. Nguồn nước mặt hiện chiếm hơn 90% nguồn cung cấp nước sạch cho sinh hoạt tại TP.HCM, tuy nhiên, các phương pháp xử lý truyền thống như keo tụ tạo bông, lắng, lọc và khử trùng đang dần giảm hiệu quả do nồng độ ô nhiễm ngày càng cao và biến đổi tính chất nước.

Luận văn này tập trung nghiên cứu công nghệ keo tụ điện hóa (EC) sử dụng điện cực nhôm nhằm xử lý nước cấp sinh hoạt trực tiếp từ nước sông, với mục tiêu tối ưu hóa các thông số vận hành để đạt hiệu quả xử lý cao nhất đối với các chỉ tiêu ô nhiễm vượt chuẩn gồm độ đục, độ màu, Amoni, Pecmanganat và tổng chất rắn lơ lửng (TSS). Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong quy mô phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, thực hiện từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2023. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả kỹ thuật mà còn đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế của công nghệ EC trong xử lý nước cấp, mở ra hướng đi mới cho ngành kỹ thuật môi trường tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Phương pháp keo tụ điện hóa (Electrocoagulation - EC) là một công nghệ xử lý nước tiên tiến kết hợp các cơ chế keo tụ, tạo bông và điện hóa. Điện cực nhôm (Al) được sử dụng làm anode, khi dòng điện một chiều (DC) chạy qua, nhôm phân ly tạo ra các ion Al³⁺, thủy phân thành các hợp chất hydroxide có khả năng keo tụ các hạt ô nhiễm trong nước. Quá trình này tuân theo định luật Faraday, với khối lượng điện cực hòa tan tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và thời gian phản ứng. Các yếu tố ảnh hưởng chính đến hiệu quả EC bao gồm: khoảng cách giữa các điện cực, cường độ dòng điện, thời gian phản ứng, pH ban đầu của nước và cấu hình kết nối điện cực.

Ngoài ra, phần mềm Design Expert được ứng dụng để thiết kế thí nghiệm và tối ưu hóa các thông số vận hành dựa trên phương pháp Response Surface Methodology (RSM), giúp xác định điều kiện vận hành tối ưu nhằm đạt hiệu quả xử lý cao nhất cho các chỉ tiêu ô nhiễm vượt chuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu nước mặt lấy trực tiếp từ sông Sài Gòn tại khu vực dọc bờ sông đường Nguyễn Văn Hưởng, phường Thảo Điền, quận 2, TP.HCM. Mẫu nước được phân tích 13 chỉ tiêu cơ bản gồm pH, độ đục, màu sắc, Amoni, Clo dư tự do, Nitrat, Nitrit, Pecmanganat, Sắt, Sunphat, TDS, TSS và Coliforms. Các chỉ tiêu vượt chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT được chọn làm đối tượng đánh giá hiệu quả xử lý.

Thí nghiệm keo tụ điện hóa được thực hiện trong mô hình phòng thí nghiệm với hai tấm điện cực nhôm kích thước 6 cm x 3 cm x 0,3 cm, đặt trong beaker 1000 ml chứa mẫu nước. Các thông số vận hành như khoảng cách điện cực (thay đổi từ 1 đến 5 cm), cường độ dòng điện (0,04 - 0,12 A) và thời gian phản ứng (3 - 15 phút) được khảo sát. Dữ liệu thu thập được nhập vào phần mềm Design Expert để phân tích ANOVA và tối ưu hóa các thông số vận hành.

Sau khi xác định điều kiện tối ưu, thí nghiệm được lặp lại với các mẫu nước từ các sông khác nhau gồm sông Nhà Bè, sông Đồng Nai, sông Vàm Cỏ và sông Tiền để đối chiếu và xác thực kết quả. Cuối cùng, chi phí vận hành được ước tính dựa trên tiêu thụ điện năng và hao mòn điện cực nhằm đánh giá tính khả thi kinh tế của công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực: Khi khoảng cách điện cực giảm từ 5 cm xuống 3 cm, hiệu suất loại bỏ độ đục tăng từ khoảng 65% lên 85%, độ màu giảm 70%, Amoni giảm 60%, Pecmanganat giảm 75% và TSS giảm 80%. Khoảng cách 3 cm được xác định là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả xử lý và tiêu thụ năng lượng.

  2. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện: Tăng cường độ dòng điện từ 0,04 A lên 0,08 A cải thiện hiệu suất xử lý đáng kể, với tỷ lệ loại bỏ độ đục đạt 90%, độ màu 88%, Amoni 85%, Pecmanganat 90% và TSS 92%. Tuy nhiên, vượt quá 0,08 A không mang lại cải thiện đáng kể mà chỉ làm tăng chi phí điện năng.

  3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng: Thời gian phản ứng 7 phút là điểm tối ưu, với hiệu suất xử lý các chỉ tiêu vượt chuẩn đạt trên 85%. Thời gian dài hơn không cải thiện đáng kể hiệu quả mà làm tăng chi phí vận hành.

  4. Hiệu quả xử lý trên các loại nước sông khác: Ứng dụng điều kiện tối ưu trên các mẫu nước sông Nhà Bè, Đồng Nai, Vàm Cỏ và Tiền cho thấy hiệu suất xử lý tương tự, với tỷ lệ loại bỏ các chỉ tiêu ô nhiễm vượt chuẩn đạt trung bình 80-90%, chứng tỏ tính ổn định và khả năng áp dụng rộng rãi của công nghệ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy công nghệ keo tụ điện hóa với điện cực nhôm có khả năng loại bỏ hiệu quả các chỉ tiêu ô nhiễm quan trọng trong nước cấp sinh hoạt, đặc biệt là độ đục, độ màu, Amoni, Pecmanganat và TSS. Việc tối ưu hóa khoảng cách điện cực, cường độ dòng điện và thời gian phản ứng giúp cân bằng giữa hiệu quả xử lý và chi phí vận hành, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu quả cao của EC trong xử lý nước mặt và nước thải, đồng thời khẳng định ưu điểm vượt trội của điện cực nhôm trong việc tạo ra các ion keo tụ hiệu quả. Việc áp dụng phần mềm Design Expert giúp xác định chính xác điều kiện vận hành tối ưu, giảm thiểu thử nghiệm thực tế và tiết kiệm thời gian.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tương quan giữa các thông số vận hành và hiệu suất xử lý, cũng như bảng so sánh kết quả trước và sau xử lý trên các mẫu nước sông khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và tính ổn định của công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thử nghiệm quy mô pilot: Thực hiện các dự án thí điểm tại các nhà máy xử lý nước cấp sử dụng công nghệ keo tụ điện hóa với điện cực nhôm, áp dụng điều kiện vận hành tối ưu đã xác định nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh phù hợp.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên và cán bộ vận hành về công nghệ điện hóa, đảm bảo vận hành đúng quy trình, bảo trì định kỳ và xử lý sự cố kịp thời.

  3. Phát triển hệ thống giám sát tự động: Lắp đặt các cảm biến đo pH, cường độ dòng điện và chất lượng nước đầu ra để giám sát liên tục, giúp điều chỉnh thông số vận hành theo thời gian thực, nâng cao hiệu quả xử lý và tiết kiệm năng lượng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng công nghệ keo tụ điện hóa cho các nguồn nước khác như nước thải công nghiệp, nước ngầm ô nhiễm, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và tăng tính bền vững của công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn và tối ưu công nghệ xử lý nước cấp, nâng cao chất lượng nước sinh hoạt tại các đô thị lớn.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, ứng dụng phần mềm tối ưu hóa và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị xử lý nước: Sử dụng dữ liệu và kết quả để thiết kế, cải tiến hệ thống keo tụ điện hóa phù hợp với điều kiện Việt Nam, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Dựa trên kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn áp dụng công nghệ xử lý nước mới, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Keo tụ điện hóa là gì và ưu điểm so với phương pháp truyền thống?
    Keo tụ điện hóa là công nghệ xử lý nước sử dụng dòng điện để tạo ra các ion kim loại từ điện cực, giúp keo tụ và loại bỏ các hạt ô nhiễm. Ưu điểm là giảm sử dụng hóa chất, tạo ít bùn thải, hiệu quả xử lý cao và có thể xử lý đa dạng chất ô nhiễm.

  2. Tại sao chọn điện cực nhôm trong nghiên cứu này?
    Điện cực nhôm tạo ra ion Al³⁺ có khả năng keo tụ mạnh, hiệu quả xử lý cao, chi phí hợp lý và ít độc hại, phù hợp với điều kiện nước mặt tại Việt Nam.

  3. Các thông số vận hành nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả xử lý?
    Khoảng cách điện cực, cường độ dòng điện và thời gian phản ứng là các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ các chỉ tiêu ô nhiễm như độ đục, màu sắc, Amoni, Pecmanganat và TSS.

  4. Công nghệ này có thể áp dụng cho quy mô lớn không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng áp dụng quy mô lớn với chi phí vận hành hợp lý, tuy nhiên cần thử nghiệm pilot để điều chỉnh và tối ưu thiết kế hệ thống phù hợp.

  5. Chi phí vận hành của công nghệ keo tụ điện hóa như thế nào?
    Ước tính chi phí vận hành chủ yếu từ điện năng tiêu thụ và hao mòn điện cực, được đánh giá là thấp hơn hoặc tương đương các công nghệ truyền thống, đồng thời giảm thiểu chi phí xử lý bùn và hóa chất.

Kết luận

  • Công nghệ keo tụ điện hóa với điện cực nhôm hiệu quả trong xử lý nước cấp sinh hoạt, đặc biệt với các chỉ tiêu ô nhiễm vượt chuẩn như độ đục, màu sắc, Amoni, Pecmanganat và TSS.
  • Điều kiện vận hành tối ưu gồm khoảng cách điện cực 3 cm, cường độ dòng điện 0,08 A và thời gian phản ứng 7 phút, đạt hiệu suất xử lý trên 85%.
  • Kết quả áp dụng trên các mẫu nước sông khác nhau cho thấy tính ổn định và khả năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ.
  • Chi phí vận hành hợp lý, giảm thiểu sử dụng hóa chất và lượng bùn thải, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đào tạo nhân lực và phát triển hệ thống giám sát tự động để nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới trong lĩnh vực xử lý nước cấp, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Các nhà quản lý, kỹ sư môi trường và doanh nghiệp sản xuất thiết bị xử lý nước nên cân nhắc áp dụng công nghệ này trong các dự án xử lý nước cấp hiện đại.