Một số vấn đề về công nghệ xử lý nguồn tài nguyên nước
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước, trước những thách thức, nguy cơ về cạn kiệt, ô nhiễm nguồn nước, với mục tiêu và thực tế tình hình tái sử dụng nước ở Việt Nam hiện nay, vấn đề tái sử dụng nước mưa, nước thải cũng đang được quan tâm, tăng cường mạnh mẽ. Dự thảo Nghị quyết Quốc hội về Bảo đảm an ninh nguồn nước giai đoạn 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2045 đã xác định “Nghiên cứu, ứng dụng khoa học công nghệ mới trong xử lý nước, tái sử dụng nước, bổ cập nước dưới đất, giảm thiểu thất thoát nước, bảo vệ môi trường nước” là một trong những nhiệm vụ, giải pháp cơ bản nhằm bảo vệ môi trường, phòng, chống ô nhiễm, suy thoái, cạn kiệt nguồn nước. Quy định việc thu gom, tái sử dụng nước mưa tại các khu đô thị; xử lý, tái sử dụng nước thải sinh hoạt đô thị, trong các ngành sản xuất và tại các cơ sở sản xuất… là các chính sách được đề xuất sửa đổi, bổ sung trong Hồ sơ đề nghị sửa Luật TNN 2012 đang trình Chính phủ. Như vậy, để đáp ứng chủ trương của Đảng, Nhà nước về sử dụng hiệu quả tài nguyên, chủ động hướng đến các tiêu chí về kinh tế tuần hoàn và các chính sách tăng cường tái sử dụng nước, công nghệ xử lý chất thải nói chung và xử lý nước thải nói riêng cần xem xét mở rộng, tính đến vấn đề tái sử dụng, tái chế chất thải, thu hồi năng lượng.
2. Hiện trạng ô nhiễm nguồn tài nguyên nước
Ô nhiễm, cạn kiệt các dòng sông vẫn đã và đang tiếp tục là vấn đề nổi cộm, thách thức trong quản lý tài nguyên nước, bảo vệ môi trường. Nhiều dòng sông đang phải chịu tác động mạnh mẽ của các hoạt động phát triển kinh tế -xã hội, mật độ dân số cao, tốc độ đô thị hóa nhanh chóng trong khi hạ tầng kỹ thuật phát triển không đồng bộ. Đặc biệt trong vài năm trở lại đây, tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng các sông, kênh, hệ thống công trình thuỷ lợi đã xảy ra kéo dài, đáng báo động, ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội của nhiều địa phương, điển hình như hệ thống sông Nhuệ - Đáy, Bắc Hưng Hải, Bắc Đuống, Bắc Nam Hà,…
Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng tại các hệ thống sông, công trình thuỷ lợi trên là do tiếp nhận trực tiếp lượng lớn nước thải phát sinh từ hoạt động sinh hoạt của các khu đô thị, khu dân cư tập trung; nước thải công nghiệp từ các KCN, CCN, cơ sở sản xuất, kinh doanh, dịch vụ; nước thải từ các cơ sở chăn nuôi, làng nghề, nông nghiệp... Ví dụ, trên hệ thống sông Bắc Hưng Hải, gần 60% tổng lượng nước thải xả vào hệ thống là nước thải sinh hoạt, hầu hết không được thu gom xử lý (ngoại trừ Khu đô thị Ecopark); trên 15% tổng lượng nước thải là nước thải phát sinh từ các làng nghề, cơ sở chăn nuôi mà phần lớn cũng không được thu gom xử lý.
Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng. Nước ngầm có hàm lượng muối cao ở các vùng đồng bằng ven biển, ở các nơi khác có hàm lượng sắt, mangan, canxi và magiê lớn hơn tiêu chuẩn cho phép. Nước ngầm trong các tầng đá vôi nứt nẻ phần lớn có chất lượng tốt. Nước ngầm mạch sâu được các lớp bên trên bảo vệ nên ít bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ hay vi trùng. Nước ngầm cũng vì thế mà có nhiệt độ ổn định (18-27oC). Ngoài ra nước ngầm tại Việt Nam khai thác phân tán, ít bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các hoạt động của con người nên thường được ưu tiên khi lựa chọn nguồn nước cấp cho ăn uống, sinh hoạt.
Nguồn nước ngầm cấp cho các nhà máy nước là nước ngầm mạch sâu, khai thác ở các địa tầng cuội sỏi. Đây là loại nước ngầm nằm trong các tầng chứa nước, giữa các tầng cản nước. Nước ngầm mạch sâu là nước ngầm có áp do nằm ở độ sâu lớn so với mặt đất và được bảo vệ bởi các tầng cản nước nên nó ít chịu ảnh hưởng bởi của môi trường bên ngoài. Nước ngầm mạch sâu thường có lưu lượng lớn, ổn định, chất lượng tốt, trữ lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi làm nguồn cung cấp nước cho các nhà máy xử lý nước. Dây chuyền công nghệ xử lý nước trong các nhà máy nước dựa trên các thành phần, tính chất đặc trưng của nguồn nước.
Trong nước ngầm có chứa các cation như Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+ NH4+ và các anion như HCO3-, SO42-,Cl-. Các ion Canxi, Magiê thường làm cho nước cứng, tạo cặn lắng bám trên bề mặt các trang thiết bị sinh hoạt; trong công nghiệp nó gây giảm năng lực truyền nhiệt, giảm tuổi thọ thiết bị…, các ion sắt, mangan thường có vị tanh và tạo cặn bẩn chưa đáp ứng được tiêu chuẩn vệ sinh của nước dùng cho ăn uống, sinh hoạt nên phải xử lý trước khi dùng. Trên thực tế tại Việt Nam hiện nay, các nhà máy nước ngầm chủ yếu áp dụng các dây chuyền công nghệ nhằm xử lý sắt và mangan.
Theo “Báo cáo Môi trường quốc gia” do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố mới đây, nguồn nước ngầm chiếm 35 - 50% tổng lượng nước cấp sinh hoạt cho các đô thị tại Việt Nam. Nhưng ở một số khu vực đã và đang xảy ra hiện tượng ô nhiễm cục bộ nước dưới đất với thông số kim loại nặng như chì, asen, mangan vượt quy chuẩn Việt Nam và xuất hiện hiện tượng xâm nhập mặn.
Thực trạng ô nhiễm nguồn nước này là một trong những nguyên nhân chính gây bệnh ung thư và các dịch bệnh nguy hiểm như: Tiêu chảy, bại liệt, giun sán, viêm não, đau mắt hột, nấm...Tuy nhiên, công nghệ, năng lực và quy trình xử lý nước sạch của nhiều cơ sở cung cấp nước còn hạn chế, nhất là ở những vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa. Đặc biệt, hệ thống đường ống phân phối và bể chứa nước đã cũ, xuống cấp chính là nguyên nhân khiến các chất ô nhiễm từ bên ngoài thấm ngược vào trong, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm trong quá trình khai thác và vận chuyển. Vì vậy, việc áp dụng công nghệ hiện đại để xử lý triệt để vấn đề ô nhiễm nguồn nước ngầm, cung cấp nước sạch cho sản xuất và sinh hoạt có ý nghĩa quan trọng đối với phát triển kinh tế và môi trường bền vững.
Đặc biệt, sau vụ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng của công ty VEDAN trên sông Thị Vải năm 2008, vụ Formusa Hà Tĩnh và nhiều vụ khác thì vấn đề kiểm soát ô nhiễm nước thải tại Việt Nam đã được đẩy mạnh. Cụ thể, theo Thông tư 08/2009/TT-BTNMT quy định về việc qui định quản lý và bảo vệ mội trường khu kinh tế, khu công nghệ cao, khu công nghiệp và cụm công nghiệp hay Nghị định 80/2014/NĐ-CP về thoát nước và xử lý nước thải đã làm gia tăng nhanh chóng nhu cầu về các xây dựng các hệ thống quan trắc và xử lý nước thải trong 9 năm qua (từ 2009). Trên thế giới hiện nay, nhiều công ty lớn đang dần đưa vào thương mại hóa các hệ thống như vậy. Như công ty Advantech (Mỹ), FLUIDQUIP (Úc) hay Xylem, công ty công nghệ hàng đầu thế giới, không chỉ cung cấp các thiết bị phần cứng mà còn đưa ra các giải pháp xử lý nước thải tập trung và từ xa tiên tiến.
3. Ứng dụng công nghệ màng lọc xử lý nguồn tài nguyên nước
3.1. Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ màng lọc
Từ những năm 30 của thế kỷ trước, với việc GS. Richard Adolf Zsigmondy người Đức chế tạo được màng vi lọc đầu tiên và ngay sau đó được sản xuất thương mại bởi tập đoàn Sartorius, công nghệ màng tiên tiến đã bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng trong xử lý môi trường ở nhiều nước trên thế giới. Đến năm 1960, những tấm màng thẩm thấu ngược (RO) đã được sản xuất và chỉ 25 năm sau, nhà máy xử lý nước ăn uống bằng công nghệ màng tiên tiến đầu tiên đã đi vào hoạt động ở thành phố Saint Gervais, Cộng hòa Pháp, với công suất 180 m3 /ngày đêm. Cũng thời kỳ này, công nghệ màng cũng bắt đầu được áp dụng ở Nhật Bản để xử lý nước thải của các khu dân cư và tái sử dụng chúng. Đến những năm cuối thế kỷ XX thì khắp các nước Châu Âu, Châu Á, và Mỹ đều ưa chuộng và áp dụng công nghệ màng trong các nhà máy sản xuất nước sạch và các trạm xử lý nước thải có quy mô và công suất lớn.
Tuy nhiên, đến tận những năm đầu thế kỉ XXI, Việt Nam mới tiếp cận với công nghệ tiên tiến này, chủ yếu là sử dụng các màng lọc thương mại của Nhật Bản, Mỹ áp dụng trong một số hệ thống xử lý nước thải như nước thải sinh hoạt của một số khách sạn, nhà hàng lớn, nước thải của nhà máy bia Hà Nội, Công ty Coca Cola Hà Nội, Công ty cổ phần Acecook Việt Nam chi nhánh ở Đà Nẵng, Bắc Ninh, Tân Bình, hệ thống xử lý nước thải ngành chế biến cao su, nước thải của một số bệnh viện đa khoa,… Về nghiên cứu, cũng đã có một số công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ màng trong xử lý nước và nước thải của trường ĐHBK TP. Hồ Chí Minh, Đại học Xây dựng, Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam,…
3.2. Ứng dụng công nghệ màng lọc trong xử lý nước
Trong suốt thế kỷ 20, công nghệ xử lý nước phát triển với tốc độ chậm. Tuy nhiên, cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, một loạt các công nghệ, thiết bị mới đã được nghiên cứu, ứng dụng, thúc đẩy ngành công nghiệp nước có những biến đổi nhanh chóng, điển hình là công nghệ lọc màng, lọc sinh học, oxy hóa hiệu suất cao,…
• Lọc sinh học với than hoạt tính dạng hạt (BAC) và Lọc sinh học kết hợp với ozone hóa (O3 – BAC): Trước kia việc sử dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước cấp thường hạn chế do lo ngại đưa các vi sinh vật vào nước. Tuy nhiên do ngày càng nhiều chất hữu cơ, dinh dưỡng dư được phát hiện trong nước, các phương pháp lý - hóa tốn kém và có nguy cơ sinh ra các sản phẩm phụ, trong khi nhiều chất có thể phân hủy được bằng sinh học, và nhu cầu mới trong việc xử lý các chất hữu cơ phân hủy được bằng sinh học - sản phẩm của quá trình ozone hóa, người ta đã áp dụng phương pháp lọc sinh học trong xử lý nước cấp.
Hình 1. Cơ chế xử lý trong hệ BAC và hệ O3 - BAC.
Trạm xử lý kết hợp ozone hóa và BAC được áp dụng lần đầu tiên ở Đức năm 1961, thành công của ứng dụng này đã được nhân rộng ra khắp nước Đức những năm 70 và châu Âu sau đó. Năm 1976, Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (US EPA) đưa ra quy định than hoạt tính phải được áp dụng để xử lý nước cấp cho khu đô thị với dân số trên 150.000 người. Cuối những năm 90 của thế kỷ trước Mỹ bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn phải dùng lọc sinh học để loại bỏ các chất hữu cơ sinh ra sau ozone hóa (EPA, 1997). Các nhà máy áp dụng công nghệ ozone hóa - BAC cũng đã được xây dựng ở Nhật từ những năm 1988-1992.
• Lọc màng: Trong những năm gần đây, công nghệ xử lý nước bằng phương pháp lọc màng đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới cho các mục đích sử dụng nước khác nhau. Màng lọc là sự ngăn cách giữa hai pha, có khả năng tạo ra sức cản để tách một số phần tử có trong nước như cặn lơ lửng, ion, vi sinh vật… khi cho dung dịch đi qua màng. Màng có thể là đồng chất, nhiều thành phần khác nhau hợp thành, màng lọc được chế tạo từ các vật liệu có nguồn gốc vô cơ như gốm nung chảy, các hợp chất cacbon, silic, zicron; hoặc từ nguồn gốc hữu cơ như cao su, vải amiăng, axetat xellulo, polyethylen, polypropylen.
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý phần tử chuyển dịnh qua màng
Hiện nay công nghệ lọc màng được áp dụng cho việc xử lý nước ăn uống, sinh hoạt, nước dùng trong y tế, xử lý nước thải và được dùng rộng rãi tại các nước Trung đông, các nước phát triển như Mỹ, Pháp, Đức, Hà Lan, Nhật…
• Lọc nhanh cao tải không dùng hóa chất CHEMILES là công nghệ xử lý nước ngầm được Nhật Bản phát triển, có khả năng xử lý đồng thời nguồn nước ngầm nhiễm sắt, mangan, amoni và asen với giải pháp làm thoáng cải tiến. Hệ thống này cũng đã được ứng dụng rộng rãi tại Trung Quốc, Malaysia…
• Công nghệ lọc nước bằng màng gốm phẳng (Cerfiltex): Công nghệ màng gốm phẳng được nước Đức đầu tư phát triển công nghệ, từ năm 2017 đến nay đang trở thành giải pháp ưa chuộng trong nhiều ứng dụng lọc nước. Ở một số thị trường, nó đã trở thành công nghệ được phê duyệt duy nhất cho các ứng dụng chính như lọc nước ngầm.
Trung Đông, Đông Nam Á và Trung Quốc đặc biệt đang đầu tư rất nhiều vào nghiên cứu, sản xuất đồng loạt và áp dụng công nghệ này. Các công ty mới đang gia nhập ngành công nghiệp mới nổi này, đặc biệt là ở Trung Quốc; công nghệ màng gốm phẳng trong xử lý nước đang đi đúng hướng để trở thành tương lai của lọc nước trên quy mô toàn cầu.
Các mô-đun màng gốm phẳng là sản phẩm đúc hoàn toàn không có bất kỳ bộ phận nào sử dụng vật liệu từ kim loại (không ăn mòn) và không có khung viền xung quanh, cho phép mở rộng công suất xử lý nước với bất kỳ yêu cầu nào. Chất lượng nước sau sử lý bằng công nghệ này hoàn toàn đáp ứng nhu cầu sử dụng cho sinh hoạt và ăn uống, đặc biệt là xử lý giảm thiểu được độ cứng CaCO3 và Mangan.
Hình 3. Một đơn nguyên xử lý nước ngầm bằng màng gốm phẳng Cerfiltex
4. Ứng dụng công nghệ IoT trong xử lý nước thải
4.1. Mô hình xử lý nước thải sử dụng công nghệ MBR
Hiện nay, Việt Nam đã có nhiều công nghệ xử lý nước thải từ truyền thống tới hiện đại như công nghệ bùn hoạt tính, công nghệ hóa-sinh kết hợp, công nghệ màng vi sinh MBBR, công nghệ hiếu khí kết hợp màng lọc vi sinh MBR… Trong đó, công nghệ MBR (bể lọc sinh học bằng màng) là sự kết hợp dùng bể màng với hệ thống bể sinh học thể động thông qua quy trình phản ứng theo mẻ liên tục, sục khí và công nghệ dòng chảy gián đoạn để làm sạch nguồn nước thải.
Hình 4. Xử lý nước thải công nghệ MBR
Xử lý nước thải bằng công nghệ MBR với các điệu kiện đầu vào và đầu ra như sau:
• Nước thải tiếp nhận là nguồn nước thải sinh hoạt từ các hoạt động dịch vụ, vận tải và sinh hoạt… nồng độ chất bẩn do công trình vận hành mức bùn cao, nhiều các thành phần hữu cơ, không chứa các loại chất bẩn đặc thù như kim loại nặng, hóa chất, các chất độc hại...
• Chất lượng đầu ra được loại bỏ phần lớn vi khuẩn mầm bệnh, các hạt kích thước tương đối nhỏ trong nước và đạt các chỉ tiêu tương đương cột A, B QCVN 14:2008 - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt.
• Ưu điểm của công nghệ MBR so với các công nghệ truyền thống như bùn hoạt tính, màng vi sinh MBBR là giảm diện tích công trình, giảm chi phí xây dựng, thời gian lưu nước tại bể ngắn, hiệu quả sinh học cao, độ bùn duy trì.
Hình 5. Quy trình xử lý nước thải sử dụng công nghệ MBR
4.1 Ứng dụng công nghệ IoT trong trạm xử lý nước thải sử dụng công nghệ MBR
Hệ thống IoT ứng dụng cho tram xử lý nước thải bao gồm: hệ cảm biến thực hiện chức năng đo lường thu thập dữ liệu, hệ phần mềm quản lý thiết bị chức năng giám sát hoạt động, cảnh báo sự cố… Tất cả số liệu đo đều được truyền tải về máy chủ trung tâm hoặc máy chủ dữ liệu đám mây qua internet để phân tích xử lý hỗ trợ ra quyết định cho người vận hành.
Hệ thống IoT giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu đồng bộ với quy trình công nghệ xử lý nước thải MBR phục vụ việc quản lý và vận hành tại chỗ hoặc từ xa. Hệ thống bao gồm 3 cấp:
• Cấp hiện trường: Các hệ thống chấp hành, hệ thống cảm biến và đo lường.
• Cấp điều khiển: Tủ điều khiển động lực, module điều khiển, module analog, module I/O...
• Cấp giám sát: Module tương tác người – máy HMI, máy tính trung tâm giám sát cục bộ, máy chủ Web (Web Server) nền tảng Internet, ứng dụng cài đặt trên thiết bị di động (Mobile App).
Hình 6. Cấu trúc hệ thống IoT giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu
Trong đó, các thành phần của hệ thống IoT như sau:
• Khối thu thập và truyền dữ liệu bao gồm: cấp hiện trường, cấp điều khiển và một phần cấp giám sát (giám sát cục bộ). Chức năng chính là điều khiển tự động hoạt động của hệ chấp hành, đo đạc, truyền tải dữ liệu từ hệ thống cảm biến, hệ thống trạng thái thiết bị và lưu trữ cục bộ cơ sở dữ liệu.
• Khối lưu trữ và phân tích dữ liệu trên máy chủ: dữ liệu từ hệ thống cảm biến và đo lường sẽ được truyền online liên tục về máy chủ trung tâm và máy chủ web (WebServer) dưới dạng bảng dữ liệu hoặc biểu đồ trực quan để lưu trữ, so sánh, kết xuất… Ngoài ra, với chức năng mở rộng phát triển sử dụng nguồn dữ liệu đã xử lý có thể đưa ra các biểu đồ, cảnh báo vượt ngưỡng, dự báo xu thế... ngay trên nền tảng máy chủ Web hoặc ứng dụng di động (Mobile App).
5. Kết luận
Bài báo giới thiệu hai công nghệ tiên tiến áp dụng trong xử lý nguồn tài nguyên nước là : công nghệ màng lọc và công nghệ IoT, đáp ứng xu thế ứng dụng chuyển đổi số trong lĩnh vực xử lý nguồn tài nguyên nước. Trong đó, hiện nay phần lớn các màng siêu lọc UF thường sử dụng các loại vật liệu polyme như polypropylene, polyvinyliden diflorua… và thường được nhập khẩu. Việc sử dụng vật liệu màng gốm trên sẽ là một đóng góp mới trong công nghệ xử lý nước tại Việt Nam khi hiện nay nước ta chưa có một nghiên cứu cụ thể vật liệu lọc này. Đồng thời, Quá trình xây dựng một trạm xử lý nước đáp ứng được nhu cầu điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trên nền tảng Internet of Things (IoT) đòi hỏi đơn vị đầu tư và thi công phải nghiên cứu rất kỹ càng.
Tài liệu tham khảo
[1]. Ceramic flat sheet membrane technology provider. < http://cerafiltec.com>
[2]. Nguyễn Việt Anh (2018), Xu hướng phát triển công nghệ xử lý nước cấp trên Thế giới, Tạp chí Môi trường và Đô thị.
[3]. QCVN 01:2009/BYT “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống”
[4]. QCVN 01-1:2018/BYT “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch”
[5]. QCVN 02:2009/BYT “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt”
[6]. Luật số 72/2020/QH14 được Quốc hội thông qua ngày 17/11/2020 và sẽ chính thức có hiệu lực từ ngày 01/01/2022
[7]. “Water and Wastewater Cybersecurity”, white paper, MOTOROLA SOLUTION, 04-2017
[8]. “Ứng dụng IoT xây dựng hệ thống quan trắn tự động các thông số nước thải, khí thải”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay.
