Đặt vấn đề Trong thời đại ngày nay “Môi trường và phát triển bền vững” là chiến lược được nhiều quốc gia và tổ chức quan tâm. Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, mức độ đô thị hóa ngày càng tăng, nhu cầu sử dụng nước sạch cũng tăng lên đáng kể cả ở thành thị lẫn nông thôn. Công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước trong thời gian qua đã đạt được những thành tựu quan trọng cả về kinh tế và xã hội, tạo điều kiện thuận lợi cho đời sống của nhân dân ngày càng được cải thiện và nâng cao. Tuy nhiên bên cạnh sự phát triển và tăng trưởng kinh tế thì đó là nhu cầu nước sạch cho đời sống sinh hoạt và phát triển kinh tế của dân cư ngày càng cấp thiết.
Nước sạch là nước không chỉ đảm bảo trong, không màu, không mùi, không vị, mà trên hết là phải an toàn cho sức khỏe con người. Nước là cội nguồn chính yếu cho mọi sự sống và bản thân nó cũng là môi trường sống cho mọi động vật, thực vật sinh tồn. Nước là một trong những yếu tố không thể thiếu được cho sự tồn tại và phát triển của cộng đồng, của sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông thủy lợi. Nước là tài nguyên tương đối dồi dào và là tài nguyên có khả năng tái tạo.
Nhưng do trong quá trình khai thác sử dụng, quản lý chưa hợp lý dẫn đến tình trạng thiếu nước sạch một cách nghiêm trọng. Mặt khác, khi các công nghệ xử lý nước cấp truyền thống (keo tụ tạo bông – lắng – lọc – khử trùng) đang dần lạc hậu, mà tính chất nước lại ngày càng biến đổi, nồng độ ô nhiễm ngày càng cao dẫn đến giảm hiệu quả xử lý, nếu muốn đạt yêu cầu phải tốn chi phí nâng công suất hoặc thay đổi công nghệ xử lý. Do đó, để giải quyết triệt để vấn đề này đối với nước cấp, nhiều phương pháp mới đã được nghiên cứu và thử nghiệm. Trong đó, một phương pháp ít phổ biến nhưng mang lại hiệu quả cao đó chính là các phương pháp điện hóa mà cụ thể hơn là phương pháp keo tụ điện hóa, cải tiến so với phương pháp keo tụ tạo bông 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.
Tuy nhiên, các phương pháp điện hóa còn chưa được phổ biến rộng rãi do nhiều yếu tố như: chưa được chứng minh hiệu quả một cách đầy đủ nhất với quy mô lớn, chưa tìm ra các điều kiện thiết kế vận hành tối ưu, chi phí đầu tư hệ thống khá cao, cần bảo trì định kì, yêu cầu người vận hành được trang bị đầy đủ kiến thức về công nghệ điện hóa. Vậy nên, việc nghiên cứu ứng dụng và đánh giá hiệu quả xử lý nước cấp bằng công nghệ keo tụ điện hóa một cách chuyên sâu có thể mở ra một hướng đi mới cho việc xử lý nước cấp, và có thể hạn chế tối thiểu lượng hóa chất cần sử dụng cũng như tồn tại trong nước sau xử lý.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu này hướng đến mục tiêu đánh giá khả năng xử lý nước cấp của phương pháp keo tụ điện hóa qua các chỉ tiêu chọn lọc là độ đục, màu sắc, Pecmanganat, Amoni và tổng chất rắn lơ lửng (TSS), của nước mặt lấy trực tiếp từ sông Sài Gòn. Cụ thể hơn là đánh giá hiệu quả xử lý nước cấp của phương pháp keo tụ điện hóa bằng loại vật liệu điện cực nhôm (Al). Từ đó, ta chọn ra các thông số tối ưu nhất cho việc vận hành đạt hiệu suất tối đa.
Cuối cùng là đánh giá khả năng áp dụng vào thực tế của công nghệ keo tụ điện hóa trong xử lý nước cấp với quy mô lớn.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: ‐ Nội dung 1: Ảnh hưởng của các thông số vận hành đến khả năng xử lý ô nhiễm của quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm (Al). ‐ Nội dung 2: Tối ưu hóa các thông số vận hành bằng phần mềm Design Expert nhằm đạt hiệu quả xử lý các chỉ tiêu đầu vào chọn lọc đang vượt QCVN 01- 1:2018/BYT, về lại đúng giới hạn của QCVN 01-1:2018/BYT. ‐ Nội dung 3: Dùng thông số vừa tối ưu hóa để thử nghiệm cho các loại nước sông khác nhau và đối chiếu xác thực hiệu quả. ‐ Nội dung 4: Ước tính chi phí vận hành và khả năng áp dụng vào thực tế của công nghệ keo tụ điện hóa.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: ‐ Nước mặt khu vực sông Sài Gòn: khu vực dọc bờ sông đường Nguyễn Văn Hưởng, phường Thảo Điền, quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh.
Mẫu nước được lấy ở tầng mặt. ‐ Công nghệ keo tụ điện hóa, các loại vật liệu điện cực và các thông số ảnh hưởng.1 Vị trí khu vực lấy mẫu nghiên cứu 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 08/2023 đến 12/2023.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Việc ứng dụng công nghệ keo tụ điện hóa trong xử lý nước cấp trực tiếp từ nước sông là một công nghệ mới trong điều kiện hiện nay.
Nghiên cứu này sẽ thử nghiệm và đánh giá khả năng hoạt động của vật liệu điện cực là nhôm (Al) và tối ưu hiệu suất xử lý của công nghệ.2 Ý nghĩa thực tiễn Việc áp dụng công nghệ keo tụ điện hóa để xử lý trực tiếp nước sông có ý nghĩa thực tiễn trong điều kiện Việt Nam, làm giảm lượng hóa chất sử dụng và lượng bùn sinh ra. Đặc biệt, công nghệ keo tụ điện hóa có thể nói là một công nghệ xử lý nước cấp mà rất ít hoặc không tạo ra dư lượng hóa chất trong nước đầu ra gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Trong tương lai, công nghệ keo tụ điện hóa nói riêng và các công nghệ điện hóa nói chung có thể mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực xử lý nước.6 Tính mới của đề tài Đề tài có các tính mới đặc trưng đó là: - Việc nghiên cứu sử dụng công nghệ keo tụ điện hóa xử lý nước cấp là một hướng nghiên cứu mới trong điều kiện Việt Nam hiện nay để giảm thiểu sử dụng hóa chất và lượng bùn sinh ra. - Nghiên cứu lựa chọn vật liệu nhôm (Al) làm điện cực với các ưu nhược điểm được nêu rõ và đánh giá hiệu suất xử lý, dưới các điều kiện ảnh hưởng khác nhau; từ đó tìm ra điều kiện vận hành tối ưu nhất.
5 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 80km, có lưu lượng trung bình vào khoảng 54m³/s, bề rộng tại Thành phố khoảng 225m đến 370m, độ sâu có chỗ tới 20 m, diện tích lưu vực trên 5. 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 (Nguồn: Tạp chí Môi trường số 3/2022) 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) 6 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 9,8%. Quá trình này kéo theo sự gia tăng dân số một cách nhanh chóng, tốc độ đô thị hóa ở khu 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 [4]. Bên cạnh đó, với áp lực bởi các hoạt động kinh tế - xã hội như sự phát triển của các khu công nghiệp/ khu chế xuất (KCN/KCX), tốc độ đô thị hóa, cùng với sự gia tăng dân số đã gây sức ép nặng nề đối với nguồn nước, khiến mức độ ô nhiễm nguồn nước vượt quá khả năng kiểm soát.
Giá trị N-NH4+ tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn (Nguồn: Trung tâm điều tra, thông tin và dữ liệu về môi trường, đa dạng sinh học) Mức độ ô nhiễm dinh dưỡng (tồn tại dưới dạng N-NH4+) cao nhất trên sông Sài Gòn là khu vực Cầu Chữ Y, giá trị N-NH4+ vượt quy chuẩn QCVN 08 MT:2015/BTNMT cột B1 khoảng 7,0 lần. Giá trị BOD5 tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn (Nguồn: Trung tâm điều tra, thông tin và dữ liệu về môi trường, đa dạng sinh học) 7 Theo Sở Xây dựng TPHCM, dù cơ quan quản lý đã tăng cường nhiều giải pháp bảo vệ nguồn nước nhưng chất lượng nước mặt hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai đang bị ô nhiễm nặng. Các chỉ tiêu như amoniac, hữu cơ, vi sinh,. ngày càng tăng.
Ngoài ra, nguồn nước sông đang chịu tác động lớn bởi đặc tính thời tiết, thủy văn và ảnh hưởng do biến đổi khí hậu dẫn đến nguy cơ xâm nhập mặn và thiếu nước vào mùa khô [5].2 Keo tụ điện hóa 2.1 Định nghĩa Keo tụ điện hóa (EC) là một công nghệ mới trong xử lý nước và nước thải, vì nó kết hợp các lợi ích của keo tụ - tạo bông, tuyển nổi và điện hóa.