Các phương pháp xử lý nước ăn uống sinh hoạt được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều thế kỷ nay nhằm mục đích bảo vệ sức khỏe cộng đồng khỏi các vi khuẩn gây bệnh cũng như hóa chất độc hại có thể có trong nước nguồn.

Tùy thuộc vào chất lượng nước nguồn, các kỹ thuật xử lý phù hợp sẽ được lựa chọn sử dụng. Dưới đây, Scitech Water – Scimitar Vietnam thống kê một số phương pháp xử lý nước chính dùng để xử lý nước ăn uống, sinh hoạt.

Mục lục bài viết

Phương pháp lắng, keo tụ
Phương pháp lọc
Phương pháp màng lọc
Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp hấ phụ
Phương pháp khử trùng
Phương pháp khử sắt

1. Phương pháp lắng, keo tụ

Nguyên lý của phương pháp lắng là sử dụng trọng lực để loại bỏ các hạt vật chất rắn có trong nước. Trong xử lý nước ăn uống, để tăng hiệu quả của phương pháp lắng, người ta kết hợp phương pháp lắng với phương pháp keo tụ.

Phương pháp keo tụ trong quy trình xử lý nước được biết đến là quá trình liên kết hoặc keo tụ các hạt rắn lơ lửng trong nước thành những hạt có kích thước lớn hơn và có khả năng lắng xuống đáy bể lắng. Chất keo tụ thường được sử dụng trong xử lý nước ăn uống bao gồm các loại muối nhôm và muối sắt hoặc hạt polymer nhân tạo. Sau quá trình keo tụ, các bông cặn có kích thước đủ lớn được tạo thành, quá trình lắng tự nhiên sẽ diễn ra.

2. Phương pháp lọc

Rất nhiều thiết bị xử lý nước sử dụng phương pháp lọc để loại bỏ các hạt vật chất có trong nước. Những hạt này bao gồm đất sét, phù sa, hạt hữu cơ, cặn lắng từ các quá trình xử lý khác trong thiết bị, sắt, mangan và các vi sinh vật. Phương pháp lọc giúp làm trong nước và tăng hiệu quả của quá trình khử trùng.

Lọc tự nhiên

Phương pháp xử lý nước phổ biến nhất trong lịch sử loài người là phương pháp lọc tự nhiên. Quá trình lọc tự nhiên, rất đơn giản, sử dụng đất làm vật liệu lọc, khi nước ngấm/chảy qua lớp đất, các chất bẩn có trong nước sẽ được đất giữ lại. Nước ngầm là kết quả lọc tự nhiên nước mưa qua đất. Bên cạnh lọc tự nhiên, người ta còn biết đến một loại hình lọc tự nhiên khác đó là lọc bằng bờ sông/bờ suối.

Lọc bờ sông/bờ suối

Luôn có sự tác động qua lại giữa nước bề mặt tự nhiên và nước ngầm. Khi sông đầy nước, nước từ sông một phần sẽ được tích trữ trong đất tại khu vực bờ sông và khu vực đồng bằng ngập lũ (floodplain). Khi mực nước sông giảm xuống, nước lưu trữ ở khu vực bờ sông từ từ chẩy ngược trả vào sông. Lọc bờ sông tận dụng hiện tương nước sông ngấm theo đất bờ sông vào các giếng đào. Đây là một trong các quá trình lọc của tự nhiên, trong đó các quá trình hóa – lý – sinh học đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng dòng nước thấm qua.

Lọc bể cát

Một trong những thiết bị lọc áp dụng quá trình lọc tự nhiên đó là bể lọc cát. Phương pháp lọc này được sử dụng từ thế kỷ 19 và vẫn tiếp tục được coi là phương pháp hiệu quả để làm trong nước. Cấu tạo của lớp vật liệu lọc khá đơn giản và dễ tìm: cát mịn (thông thường lớp cát lọc dầy tối thiểu 0,5m), sỏi hoặc đá cuội ở dưới. Có hai loại bể lọc cát.

Bể lọc cát chậm: Nước luôn được đổ ngập lớp cát lọc, phía trên bề mặt cát lọc, cùng với nước, cát ẩm, các vi khuẩn và động vật nguyên sinh tạo nên một lớp màng sinh học. Lớp màng sinh học đóng vai trò chính trong quá trình lọc cát lọc. Các hạt lơ lửng trong nước đi qua màng sinh học sẽ bị các vi khuẩn và động vật nguyên sinh tiêu thụ và phân hủy. Do đó phương pháp lọc chậm có tác dụng làm sạch nước cao hơn so với phương pháp lọc cát nhanh.
Bể lọc cát nhanh: Khác với bể lọc cát chậm, trên bề mặt bể lọc cát nhanh không có lớp màng sinh học. Do đó bể lọc cát nhanh thường được sử dụng tại các nhà máy xử lý nước để lọc các hạt rắn lơ lửng ra khỏi nước. Phương pháp này không có tác dụng làm sạch nước (cả về mặt vi khuẩn). Để tăng hiệu quả lọc của bể lọc cát nhanh, lớp cát lọc cần được rửa thường xuyên.

Bể lọc cát có thể áp dụng để lọc nguồn nước có độ đục ≤ 10 NTU. Tốc độ dòng nước qua bể lọc cát khoảng từ 0,015 – 0,15 m3/m2h. Độ đục nước ra khỏi bể lọc cát phải đạt ≤ 5 NTU. Ngoài tác dụng lọc các hạt lơ lửng có kích thước lớn trong nước, bể lọc cát còn có khả năng loại bỏ vi sinh vật, các nang bào nguyên sinh và trứng giun/sán. Lưu ý, sau khi làm bể lọc cần cho nước chẩy qua vài ngày mới đưa hệ thống vào hoạt động.

3. Phương pháp màng lọc

Phương pháp màng lọc thẩm thấu ngược RO (Reverse Osmosis)

Lọc thẩm thấu ngược RO là một trong những phương pháp xử lý nước dùng màng lọc thông dụng nhất. Màng lọc thẩm thấu ngược (màng RO) được làm bằng cellulose acetate, polyamide hoặc màng TFC có lỗ lọc siêu nhỏ (≤ 0,001µm). Nguyên lý hoạt động của phương pháp lọc thẩm thấu ngược là sử dụng áp lực đủ lớn để dòng nước vượt qua màng thẩm thấu. Tại đây các ion, các muối hòa tan được giữ lại và loại bỏ khỏi dòng nước.

Do có áp lực trong hệ thống nên các lỗ xốp trên màng lọc có thể có kích thước nhỏ hơn các loại màng lọc khác cho phép loại bỏ phần lớn các chất bẩn có trong nước. Tuy nhiên, đây là phương pháp đắt tiền do đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng để duy trì áp lực bên trong hệ thống.

Các phương pháp màng lọc khác

Ngoài RO, còn có các phương pháp màng lọc khác như lọc nano (NF – nanofiltration), siêu lọc (UF – ultrafiltration), siêu vi lọc (MF – microfiltration) và thẩm tách điện (ED – electrodialysis).

4. Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion dựa trên nguyên lý hấp phụ ion trái dấu của các hạt mang điện. Trong nước thường chứa các ion mang điện tích (-) gọi là anion và hạt mang điện tích (+) gọi là cation. Khi gặp điều kiện thuận lợi các ion mang điện trái dấu kết hợp với nhau và tạo thành hạt cặn có kích thước lớn hơn và lắng xuống đáy.

Vật liệu sử dụng trong các bể trao đổi ion thường là các hạt nhựa nhân tạo mang điện tích. Các hạt nhựa mang điện tích có nhiệm vụ hút các hạt mang điện tích trái dấu trong nước và tạo thành các bông cặn.

Quá trình trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ các chất bẩn vô cơ còn sót lại sau quá trình lắng và lọc. Phương pháp trao đổi ion có thể được sử dụng để làm mềm nước, loại bỏ các ion canxi và magie. Ngoài ra, phương pháp này còn được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng trong nước như asen, chrom, các ion phi kim như floride, nitrate, radium và uranium.

5. Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ là phương pháp xử lý nước sử dụng các chất có hoạt tính bề mặt cao như than hoạt tính để hấp phụ các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Đây cũng là phương pháp được sử dụng khi các chất bẩn hữu cơ không loại bỏ được trong quá trình lắng và lọc. Bên cạnh loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, phương pháp hấp phụ được sử dụng để loại bỏ màu, mùi và vị có trong nước.

6. Phương pháp khử trùng

Nước nên được khử trùng trước khi sử dụng hoặc trước khi được phân phối cho các hộ gia đình để đảm bảo rằng các vi khuẩn có hại đều bị tiêu diệt. Có thể khử trùng nước bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học.

Phương pháp vật lý

Khử trùng bằng nhiệt: là phương pháp phổ biến, dễ thực hiện và hiệu quả để tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh. Phương pháp này thường được sử dụng ở quy mô hộ gia đình. Để đảm bảo tiệt khuẩn nước cần được đun sôi đạt 1000C trong 15 phút.
Khử trùng bằng tia tử ngoại: Tia tử ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng từ 4 – 400nm, có tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn. Tia tử ngoại bước sóng 254nm có tác dụng khử trùng cao. Để đảm bảo khử trùng tốt, nước phải trong và đủ thời gian tiếp xúc. Một phương pháp tận dụng tia tử ngoại tự nhiên đó là tia nắng mặt trời. Tại những vùng nắng nóng có thể đựng nước trong chai nhựa/thủy tinh không mầu, trong suốt, để dưới nắng ít nhất 30 phút. Phương pháp đơn giản này có thể tiêu diệt được các vi khuẩn có thể có trong nước dưới tác dụng của tử ngoại mặt trời.
Khử trùng bằng sóng siêu âm: dòng siêu âm có cường độ ≥ 2W/cm2, trong khoảng thời gian tiếp xúc 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật có trong nước.

Phương pháp hóa học

Các hóa chất được sử dụng để khử trùng nước bao gồm bạc, iot, ozon, clo và các hợp chất khử trùng chứa clo (như cloramin hoặc clorine dioxide). Trong hầu hết các nhà máy nước ở Việt Nam, người ta khử trùng bằng clo hoặc các hợp chất của clo do hiệu quả tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh cao. Các hóa chất khử trùng trên được áp dụng tại các nhà máy nước để khử trùng nước trước khi phân phối đến các hộ gia đình, hoặc cũng có thể được các hộ gia đình sử dụng để khử trùng tại nhà.

Lưu ý, để đảm bảo hiệu quả khử trùng cao, thời gian tiếp xúc của nước với các hợp chất khử trùng của clo tối thiểu là 30 phút và nồng độ clo dư trong mạng lưới phân phối là từ 0,3 – 0,5mg/l. Ngoài ra, độ đục trong nước phải thấp hơn 5 NTU, tốt nhất là < 1 NTU.

7. Phương pháp khử sắt

Nước ngầm tại một số tỉnh thường bị nhiễm sắt và mangan lớn, nên cần thiết phải khử sắt và mangan đối với những nguồn nước này.

Sắt trong nước ngầm tồn tại dưới dạng sắt hóa trị II. Fe(II) khi tiếp xúc với oxy sẽ được khử lên thành Fe(III) kết tủa và lắng xuống đáy. Do đó, để khử sắt người ta thường dùng phương pháp đơn giản nhất là dàn mưa.
Nước được phun trên giàn mưa thành giọt nhỏ, trong quá trình rơi xuống tiếp xúc với oxy trong không khí thành kết tủa Fe(OH)3 theo phương trình dưới đây: 4Fe(HCO₃)₂ + O₂ + H₂O → 4Fe(OH)₃↓ + 8CO₂↑
Kết tủa này sẽ được lắng hoặc lọc tách ra khỏi nước. Tùy theo điều kiện pH, độ kiềm, lượng CO2 hòa tan ban đầu mà có thể phải thêm nước vôi để tạo điều kiện tối ưu cho sự kết tủa. Khi xử lý bằng phương pháp keo tụ, thường cũng khử được sắt luôn.

Các phương pháp xử lý nước ăn uống sinh hoạt

1. Phương pháp lắng, keo tụ