Báo Động Ô Nhiễm Nước Sinh Hoạt Và Biện Pháp Xử Lý

Mở đầu

Tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngày càng tăng và lan rộng tại hầu hết các tỉnh thành Việt Nam với các thành phần khó xử lý như Asen, Amoni, các chất hữu cơ hòa tan đã và đang là thách thức đối với ngành cấp nước. Song song với các giải pháp của chính phủ và các tổ chức xã hội nhằm bảo vệ môi trường thì ngành nước cũng cần phải có giải pháp phù hợp để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm để tạo ra nước sạch đạt chuẩn phục vụ nhân dân. Bài viết nêu sơ lược về thực trạng khó khăn mà ngành cấp nước phải đối diện tại nhiều vùng mà nguồn nước bị ô nhiễm nặng và đưa ra giải pháp công nghệ LKK để xử lý nguồn nước này. Công nghệ LKK đã được ứng dụng thực tế tại nhiều nơi nhờ công dụng xử lý hiệu quả, chi phí vận hành thấp và quản lý vận hành đơn giản. Với bài viết này công ty Nam An mong muốn trao đổi kinh nghiệm với các đồng nghiệp và hy vọng đóng góp một phần nhỏ bé vào sự phát triển của ngành cấp nước.

THỰC TRẠNG BÁO ĐỘNG VỀ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC

Hiện nay, Việt Nam đang phải đối mặt với thách thức lớn về tình trạng ô nhiễm nguồn nước.  Tại các thành phố lớn, nước thải chưa qua xử lý của hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp và nước thải sinh hoạt tại các đô thị, khu dân cư tập trung có hàm lượng hợp chất hữu cơ cao nhưng chưa được xử lý đang ngày đêm xả thẳng ra môi trường là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nguồn nước. Ở khu vực nông thôn, tình trạng ô nhiễm nguồn nước cũng không ngừng gia tăng. Theo thống kê, có 76% số dân đang sinh sống ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Mỗi ngày hơn 300 người Việt nam chết vì ung thư (Thứ tư, 17/4/2019, 12:13 (GMT+7) Báo VNExpress). Mỗi năm có gần 165.000 ca ung thư mắc mới và 115.000 bệnh nhân chết vì ung thư. Ô nhiễm môi trường trong đó có nguồn nước ngày càng tăng thì ung thư cũng ngày càng tăng, năm 2000 có 65.000 ca ung thư thì năm 2018 đã tăng lên 165.000 ca. Nhiều nguồn nước xấu tới mức các trạm cấp nước tại đây dùng công nghệ lắng lọc thông thường buộc phải dừng hoạt động. Nước cấp không đạt tiêu chuẩn 01:2009/BYT chủ yếu là các thành phần khó xử lý như amoni cao, asen cao, chất hữu cơ cao mà nguyên nhân chính là nguồn nước khai thác đưa vào xử lý bị ô nhiễm quá cao.

Nguồn nước ngầm

Khoảng 40% nước cấp cho sinh hoạt tại Việt Nam khai thác từ nước ngầm. Mỗi ngày có hàng triệu m3 nước được rút lên từ lòng đất trong đó khoảng 1,5 triệu m3 thuộc về 2 thành phố lớn là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, phần lớn lượng nước còn lại phân bố tại các tỉnh thuộc đồng bằng Nam Bộ và đồng bằng Bắc Bộ.   

Tình trạng khai thác nước ngầm quá mức, tràn lan với hàng nghìn giếng khoan công nghiệp và hàng trăm nghìn giếng khoan hộ gia đình đã gây ra sự sụt lún địa tầng và ô nhiễm nguồn nước. Sự sụt lún đất thể hiện rõ nhất tại các tỉnh đồng bằng Nam Bộ và ô nhiễm nguồn nước thể hiện rõ nhất tại các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ, đặc biệt là khu vực thuộc tỉnh Hà Nam và các huyện ngoại thành Hà Nội. Nhiều nơi nguồn nước ngầm bị ô nhiễm Asen và Amoni trầm trọng điển hình như trạm cấp nước Tân Tây Đô, huyện Đan Phượng Hà Nội với hàm lượng Asen và Amoni gấp nhiều lần cho phép.

Nguồn nước mặt

Ô nhiễm nguồn nước mặt tại hầu hết các con sông của Việt Nam, đặc biệt là khu vực hạ lưu nơi có đông đảo cộng đồng dân cư sinh sống đã và đang là thách thức lớn cho ngành cấp nước. Số liệu khảo sát cho thấy nước mặt tại các sông rạch vùng châu thổ sông Hồng, sông Cửu Long hầu hết đều không đạt tiêu chuẩn cột A theo QCVN 08:2008/BTNMT, nhiều chỉ tiêu như : BOD, COD, NH4, N, P cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Các con sông chính ở Việt Nam đều đã bị ô nhiễm. Ví dụ như sông Thị Vải, là con song ô nhiễm nặng nhất trong hệ thống sông Đồng Nai, có một đoạn sông chết dài trên 10km. Thực trạng đáng lo ngại đó là hầu hết các trạm cấp nước quy mô vừa và nhỏ được đầu tư xây dựng trong những năm gần đây tại các tỉnh đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long nơi mà nguồn nước khai thác bị ô nhiễm các chất hữu cơ hoa tan cao vẫn chỉ ứng dụng công nghệ lắng lọc thông thường. Những trạm này cấp nước sau khi xử lý lắng, lọc tạo ra nước trong cấp cho dân nhưng chỉ số Pemanganat vẫn rất cao, vượt chỉ tiêu cho phép do nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ không được xử lý triệt để. Xin giới thiệu hình ảnh một trạm cấp nước mới xây dựng theo mô hình phổ biến hiện nay tại đồng bằng sông Cửu Long. Nguồn nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ vượt tiêu chuẩn A2 cột A theo QCVN 08:2008/BTNMT lấy từ rạch nước đưa vào ao sơ lắng rồi bơm vào cụm xử lý gồm bể lắng lamen và bể lọc cát. 
 

 
Khi nguồn nước bị ô nhiễm các thành phần hữu cơ ngày càng cao mà không có sự quan tâm đầu tư giải pháp công nghệ phù hợp để xử lý chúng thì nước sinh hoạt cấp cho người dân ngày càng bị ô nhiễm nặng các chất hữu cơ hòa tan và các thành phần độc hại phát sinh từ chúng.

GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC

Thực tế cho thấy, khi mà mật độ dân cư tăng nhanh, nhu cầu nước sạch phục vụ đời sống và sản xuất tăng liên tục, nhiều địa phương buộc phải khai tác các nguồn nước có hàm lượng Asen, Amoni và chất hữu cơ cao hơn nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. Để đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng thì việc nghiên cứu đầu tư tìm giải pháp công nghệ xử lý hiệu quả nguồn nước này là cần thiết và cấp bách nhằm mục đích cấp nước sạch phục vụ sinh hoạt, ăn uống đạt tiêu chuẩn QCQG 01: 2009/BYT.

Amoni ( NH4+) và các chất hữu cơ hòa tan trong nước là các thành phần ô nhiễm khó xử lý, các công trình xử lý nước với công nghệ lắng + lọc truyền thống không loại bỏ được chúng. Chúng tồn tại trong nước sạch dưới dạng hòa tan do đó không thể sử dụng mắt thường để nhận biết được mức độ ô nhiễm của những tạp chất hòa tan này. Dễ dàng xác định mức độ ô nhiễm amoni khi phân tích nước bằng các bộ KIT thử nhanh so mầu. Để đánh giá độ ô nhiễm của các tạp chất hữu cơ hòa tan trong nước sạch người ta sử dụng  chỉ số pecmanganat, đây chính là nhu cầu oxy hóa học ( COD) trong nước cấp sinh hoạt. Chỉ số Pecmanganat xác định bằng KMNO4, còn COD xác định bằng cách oxi hóa mẫu nước với K2Cr2O7. Chỉ số Pemanganat vượt ngưỡng 4 mg/l theo tiêu chuẩn  QCQG 02:2009/BYT là dấu hiệu cho thấy nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ ở mức độ nguy hiểm.

Các chất này khi tương tác với Clo sẽ tạo ra chất gây ung thư, khi tương tác với oxy trong môi trường sẽ tạo ra Nitrit độc hại. Nitrít có tác dụng oxy hóa hemoglobin (huyết sắc tố) chứa trong hồng cầu, biến hemoglobin thành methemoglobin (trẻ em mắc chứng bệnh này thường xanh xao và dễ bị đe dọa đến mạng sống, đặc biệt là trẻ dưới 6 tháng tuổi), ngoài ra, nitrat và nitrit khi vào cơ thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe, gây nên hiện tượng methemoglobin (thiếu ô-xy trong máu), đặc biệt là khi kết hợp với các axit amin trong cơ thể còn tạo thành chất nitrosamine gây ung thư, hàm lượng nitrosamin cao khiến cơ thể không kịp đào thải, tích lũy lâu ngày trong gan gây ra hiện tượng nhiễm độc, ung thư gan. Nước có hàm lượng Amoni cao, có chỉ số Pecmanganat cao sẽ nhanh chóng tạo rêu, tảo trong bể chứa, là môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật độc hại phát triển trong nước sạch.

Trên cơ sở nhiều năm nghiên cứu và thử nghiệm nhiều giải pháp công nghệ khác nhau trong đó có các thử nghiệm bể lọc hấp thụ bằng than hoạt tính, bể lọc tuần hoàn cát, bể lọc trao đổi cation sử dụng vật liệu Zeolit nhập khẩu rất đắt tiền, bể lọc sinh học sử dụng các loại vật liệu mang khác nhau, công ty TNHH Môi trường công nghệ cao Nam An đã chọn ra giải pháp công nghệ LKK (Lọc kín kép) để xử lý hiệu quả các chất hữu cơ hòa tan và amoni trong nước sạch. Công nghệ LKK dễ dàng loại bỏ As và các kim loại nặng trong nước đã được nêu trong bài viết trước nên không nêu trong bài viết này.

Giải pháp LKK đòi hỏi diện tích xây dựng công trình không lớn hơn diện tích công trình xử lý nước truyền thống có cùng công suất do khối tích chủ yếu của LKK là 2 hoặc 3 hệ lọc kín tự rửa đấu nối tiếp nhau. Hình ảnh sau là hệ thiết bị LKK công suất Q= 10.000 m3/ngđ lắp đặt tại trạm cấp nước phía nam Hà Nội để xử lý Asen, Amoni và chất hữu cơ, nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCQG 01:2009/BYT.

  
Đây là giải pháp công nghệ sử dụng màng vi sinh đa tầng kết hợp công nghệ lọc kín tự rửa. Hệ thiết bị LKK được sản xuất đồng bộ trong nhà máy Nam An Filter, khu công nghiệp Quất Động, Thanh Trì, Hà Nội với các bình lọc kín có chiều cao lớp vật liệu lọc trên 2,5m. Hệ thống thiết bị LKK có thể vận hành tự động nhờ tủ điện PLC. Do chi phí đầu tư của hệ LKK không cao, chi phí sản xuất thấp, vận hành đơn giản, chất lượng nước sau xử lý ổn định do đó LKK đã và đang nhận được sự quan tâm của nhiều nhà đầu tư.

Sơ đồ công nghệ LKK áp dụng cho công trình xử lý nước ngầm bị ô nhiễm amoni và các chất hữu cơ như sau:

Nước ngầm → Inzecter cấp khí → Trộn tĩnh BT1 → Inzecter cấp NaOH chỉnh pH lên đến 7,5 → Trộn tĩnh BT2 → Lọc kín tự rửa LK1 → Bể sinh học P3 sử dụng vật liệu mang PU với kỹ thuật MBB → Bơm tăng áp → Inzecter cấp khí lần 2 → Trộn tĩnh BT3 → Lọc kín tự rửa LK2 → Inzecter cấp Clo khử trùng → Trộn tĩnh BT4 → Nước sạch đạt tiêu chuẩn QCVN 01: 2009/BYT → Bể chứa.

Trường hợp nguồn nước ngầm bị ô nhiễm Amoni quá cao ( NH4 > 15 mg/l), Asen cao ( As> 0,1mg/l) thì cần lắp bổ sung thêm tầng lọc kín LK3 sau bình trộn BT4.

Sơ đồ công nghệ LKK áp dụng cho công trình xử lý nước mặt ( khai thác từ hồ, đầm, sông ,,,) bị ô nhiễm các chất hữu cơ như sau:

Nước mặt → Inzecter cấp NaOH nâng pH lên 7,5 → Trộn tĩnh BT1 → Inzecter cấp keo tụ PAC  → Trộn tĩnh BT2 → Lắng lamen → Bơm tăng áp → Inzecter cấp khí → Trộn tĩnh BT3 → Lọc kín tự rửa LK1 → Inzecter cấp khí lần 2 → Trộn tĩnh BT4 → Lọc kín tự rửa LK2 → Inzecter cấp Clo khử trùng → Trộn tĩnh BT4 → Nước sạch đạt tiêu chuẩn QCVN 01: 2009/BYT → Bể chứa.

Trường hợp nước thô đã qua hồ sơ lắng có độ đục thấp TSS< 15mg/l và độ ô nhiễm chất hữu cơ không cao COD < 15 mg/l thì có thể bỏ qua bể lắng Lamen, cấp thẳng vào hệ LKK.

Công nghệ LKK có thể xem là sự gép nối của 2 công đoạn xử lý.

Công đoạn 1: Loại bỏ hoàn toàn các cặn kết tủa, tương tự như trong các công trình xử lý nước truyền thống Lắng + Lọc. Công đoạn này do LK1 thực hiện.

Công đoạn 2: Loại bỏ các tạp chất hữu cơ và amoni hòa tan. Tạp chất còn lại trong nước sau khi đi qua hệ thiết bị LK1 là các chất tan có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ. Các chất vô cơ hòa tan chủ yếu là muối gốc Ca, Na, Mg, Al, Fe… với hàm lượng nằm trong tiêu chuẩn cho phép. Các chất hữu cơ, amoni giảm không đáng kể khi qua LK1. Chúng được lọc bằng màng vi sinh trong bể sinh học P3 và hệ thiết bị LK2. Cả 2 thiết bị này được thiết kế để tạo ra môi trường thuận lợi cho các chủng loại vi sinh vật phát triển đến mật độ cao và phân phối đều trên toàn khối tích với việc cấp oxy liên tục bằng máy cấp khí và duy trì DO > 2mg/l tại mọi điểm trong khối tích của nó. Trong tự nhiên luôn tồn tại hệ vi sinh vật có khả năng thực hiện một quá trình hai mặt, một mặt vi sinh thực hiện quá trình tăng trưởng về lượng của chúng bằng cách ăn các tạp chất gây ô nhiễm có trong nước (các hợp chất hữu cơ, N, P và các nguyên tố vi lượng) để tạo các cá thể vi sinh mới dưới dạng sinh khối (bùn), mặt khác chúng sẽ ôxi hóa các chất ô nhiễm này thành các sản phẩm trung tính (CO2, N2). Năng lượng để chúng hoạt động và phát triển được lấy từ chính năng lượng giải phóng ra trong các phản ứng chuyển hóa sinh hóa trên. Các quá trình vi sinh hiếu khí bao gồm hai quá trình chính được thể hiện ở hai phương trình dưới đây:

Quá trình ôxi hóa phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ:

(4/100)C10H19NO3 + (25/100)O2 + (1/100)NH4+ + (1/100)HCO3-

(16/100)CO2 + (23/100)H2O + (5/100)C5H7NO2            (pt.1)

Ở đây: C10H19NO3 là công thức tạp chất hữu cơ gần đúng, C5H7NO2 là công thức vi sinh VS gần đúng. Ta nhận thấy ở vế trái của phương trình là nhu cầu tối thiểu các chất mà vi sinh cần có để thực hiện quá trình, vế phải của phương trình là các sản phẩm CO2 + H2O không gây ô nhiễm nước và sản phẩm phụ C5H7NO2  là bùn sinh khối. Bùn này được giữ lại trong lớp vật liệu lọc và xả ra môi trường khi rửa lọc.

Quá trình nitrat hóa amôni:

(11/20)NH4+ + (15/20)O2 + (4/20)CO2 + (1/20)HCO3- → (10/20)NO3- + (20/20)H+ + (9/20)H2O + (1/20)C5H7NO2                (pt.2)

Ta nhận thấy sản phẩm của quá trình là NO3 và tất nhiên phải có sinh khối đi kèm. Điều kiện của phản ứng này là phải cấp đủ ôxi hòa tan và nguồn cácbon vô cơ (độ kiềm). Trước tiên NH4+ sẽ được ôxi hóa thành NO2 (quá trình nitrit hóa được thực hiện bởi tập hợp các chủng vi sinh Nitrosomonas), tiếp theo NO2 sẽ được ôxi hóa tiếp thành NO3 (quá trình nitrat hóa được thực hiện bởi tập hợp các chủng vi sinh Nitrobacter).

Trong hệ thiết bị LKK tồn tại các vùng thiếu khí trong lòng các khối PU và vùng cát lọc gần đáy bình lọc kín, tại đây diễn ra quá trình khử nitrat bằng chất hữu cơ trong nước, có thể đẩy mạnh quá trình này bằng tuần hoàn nước:

(1/5)NO3- + (0,5/50)NH4+ + (2/50)C10H19NO3 + (0,5/50)HCO3- + (1/5)H+

(8/50)CO2 + (5/50)N2 + (16,5/50)H2O + (2,5/50)C5H7NO2                (pt.3)

Kết quả của quá trình hiếu khí ở (pt.1) là các chất ô nhiễm hữu cơ bị phân hủy thành CO2 + H2O, giảm thông số Pecmanganat nghĩa là quá trình (pt.1) chỉ xử lí ô nhiễm hữu cơ, quá trình này chỉ được thực hiện tốt khi duy trì được DO 2mg/l trong toàn lớp vật liệu lọc.

Nhờ tiếp tục sục khí cấp ôxi, quá trình nitrat hóa sẽ được thực hiện (pt.2), khi đó N-amôni sẽ chuyển hóa thành N-nitrit rồi thành N-nitrat. Để thực hiện phản ứng (pt.2) hệ cần được cấp đủ DO như trên và độ kiềm (HCO3-). Để khử N-nitrat và ở mức độ ít hơn nhiều là N-nitrit theo quá trình (pt.3), quá trình này còn được gọi là thiếu khí (anoxic). Phản ứng sẽ sinh ra độ kiềm, tiêu thụ các chất hữu cơ có sẵn trong nước.

Cấu trúc của hệ thiết bị LKK tạo ra môi trường thuận lợi cho các chủng loại vi sinh phát triển, chúng thực hiện đầy đủ các quá trình từ (pt.1) đến (pt-3), xử lí các chất hữu cơ và hợp chất chứa N. Chi phí cho quá trình xử lý amoni và các chất hữu cơ trong nước chỉ là điện năng cho máy cấp khí và máy bơm do đó chi phí sản xuất của công trình xử lý nước áp dụng công nghệ LK kép không cao, khoảng 1500 đồng/m3 nước sạch.

Đối với các công trình xử lý nước hiện đang hoạt động với bể lắng lọc thông thường bị ô nhiễm các chất hữu cơ có thể đưa cụm lọc sinh học LK2 vào theo sơ đồ công nghệ sau:

Nước sau lắng của công trình hiện có → Bơm tăng áp → Inzecter cấp khí → Trộn tĩnh BT2 → Lọc kín tự rửa LK2 → Bể lọc cát hiện có → Cấp Clo khử trùng → Bể chứa.

Hệ thiết bị lọc kín tự rửa LK2 có cấu trúc nhỏ gọn với các bình lọc kín có đường kính dưới 2,5m do đó khi lắp ghép để nâng cấp công trình xử lý nước không đòi hỏi phải mở rộng trạm cấp nước.