Công nghệ Cấp nước mới và ứng dụng ở Việt Nam

CÔNG NGHỆ CẤP NƯỚC MỚI VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM

Tóm tắt: Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu của chính tác giả, rà soát các công nghệ Cấp thoát nước mới đã được áp dụng thực tiễn ở Việt Nam và trên thế giới, cũng như tổng hợp các công bố quốc tế và trong nước trong thời gian 10 năm vừa qua. Các giải pháp công nghệ mới, có nhiều triển vọng được phân tích cụ thể: lọc sinh học, ozone hóa, lọc màng, sử dụng bọt khí mịn và siêu mịn, chuyển đổi số. Bài báo cũng phân tích thực trạng, những khó khăn, thách thức trong nghiên cứu, triển khai ứng dụng công nghệ mới, và đưa ra dự báo các xu hướng phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực Cấp thoát nước trong 10 năm tới cùng với một số đề xuất, kiến nghị.

Từ khóa: bọt mịn và siêu mịn, chuyển đổi số, lọc sinh học, lọc màng, ozone.

NEW WATER SUPPLY TECHNOLOGIES AND THEIR APPLICATIONS IN VIETNAM

Abstract: This paper presents the findings from author's own researches and reviews of newly adopted water treatment technologies that have been implemented in practice in Vietnam and globally. It also synthesizes international and domestic publications over the past ten years. Promising new technological solutions are specifically analyzed, including: biofiltration, ozonation, membrane filtration, the use of fine and ultrafine bubbles, and digital transformation. The paper also examines the current status, challenges, and obstacles in research and implementation of new technologies. It provides forecasts on the development trends of water supply and sewerage technologies in the next decade, along with several proposals and recommendations.

Keywords: biofiltration, digital transformation, fine and ultrafine bubbles, membrane filtration, ozone.

1. Đặt vấn đề

Quản lý các nguồn nước cấp trở thành một trong những thách thức lớn nhất trong thời đại của chúng ta. Đến 2030, sẽ có 8,5 tỷ người sinh sống trên Trái đất, 60% trong số đó sống ở đô thị. Đến 2050, dân số toàn cầu sẽ lên tới 9,7 tỷ người, trong khi khả năng cung cấp nước và thực phẩm chỉ có giới hạn [1].Những thách thức này càng nghiêm trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu, với những đợt hạn hán diễn ra ngày càng dài, ở nhiều địa điểm hơn, xảy ra những mâu thuẫn và xung đột về nguồn nước.

Mức độ ô nhiễm ngày càng tăng từ các nguồn ô nhiễm điểm và phân tán, với các chất ô nhiễm khó xử lý như các chất hữu cơ bền vững, kim loại nặng, kháng sinh, hoóc môn và các dư lượng thuốc chữa bệnh khác, các chủng vi sinh vật mới… là một thách thức lớn đối với ngành nước. Trên thế giới, mỗi năm có khoảng 2 triệu tấn thuốc trừ sâu các loại được sử dụng. Các ngành công nghiệp cũng thải vào nguồn nước khoảng 300-400 triệu tấn kim loại nặng, dung môi, bùn nguy hại, và các chất thải khác. Chỉ riêng nước Mỹ, mỗi năm có khoảng 700 loại hóa chất mới được đưa ra thị trường [1].

Ở Việt Nam, hiện 907 đô thị sử dụng mỗi ngày trên 10 triệu m³ nước [2], chủ yếu khai thác từ nguồn nước mặt, trong đó có nhiều dòng sông đang đối diện với nguy cơ ô nhiễm ngày càng nặng do các hoạt động sinh hoạt, sản xuất công nghiệp và nông nghiệp… Nhiều hệ thống cấp nước phải dựa vào nguồn nước sông nhánh hay kênh mương nội đồng, việc kiểm soát ô nhiễm vượt quá khả năng của doanh nghiệp cấp nước và không dễ tìm nguồn thay thế. Nhiều khu vực bị tình trạng khan hiếm nước, xâm nhập mặn,… Ở nhiều nơi, nước thải công nghiệp vẫn là nguồn gây ô nhiễm chính cho các dòng sông. Việc tuân thủ quy định của nhiều doanh nghiệp còn mang tính hình thức, đối phó. Trong khi đó, năng lực quản lý môi trường ở các địa phương và quản trị môi trường của các doanh nghiệp chưa đáp ứng được yêu cầu. Vấn đề kiểm soát các chất hữu cơ bền vững, độc hại, kim loại nặng, vi nhựa, … còn chưa thực sự được quan tâm.

Điều đáng chú ý là các quá trình xử lý nước thải thông thường (lắng sơ cấp, xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính, lắng thứ cấp, khử trùng bằng Clo) và xử lý nước cấp thông thường (keo tụ, lắng, lọc, khử trùng bằng Clo) không cho phép loại bỏ được hết các chất ô nhiễm phức tạp. Keo tụ, lắng, lọc chỉ cho phép loại bỏ các chất ở dạng lơ lửng và keo, nhưng khó có thể loại bỏ được các chất hòa tan. Khử trùng nước còn nhiễm hữu cơ bằng Clo còn có thể sinh ra các sản phẩm phụ (DBPs) độc hại.

Nghiên cứu của GS Fuji cùng cộng sự ở Đại học Kyoto, Nhật Bản cho thấy các hợp chất PFAS, PFOS không loại bỏ khi đi qua các nhà máy nước với công nghệ truyền thống [3]. Nghiên cứu của Kurwadkar và cộng sự năm 2022 cho thấy các chất hữu cơ "vĩnh cửu", gây ung thư này xuất hiện ở khắp trên Trái đất, trong sinh vật sống, nước uống, thực phẩm, không khí và huyết thanh người, cũng như những tác động sức khỏe của việc phơi nhiễm PFA [4]. Quy chuẩn chất lượng nước cấp của Mỹ quy định giới hạn nồng độ PFOA là 4 ng/L, PFOS là 4 ng/L; Đức: tổng PFAS 20 ≤ 100 ng/L; nhóm PFAS-4 (PFOA, PFOS, PFNA, PFHxS) ≤ 20 ng/L; Nhật Bản quy định tổng PFOA + PFOS ≤ 50 ng/L. Nhóm chất ung thư vĩnh cửu này chưa có trong quy chuẩn nước cấp của Việt Nam.

Chất ô nhiễm vi nhựa cũng đang là một vấn đề lớn. Trong nước cấp, vi nhựa có thể thâm nhập vào từ nguồn nước đầu vào do ô nhiễm rác thải nhựa, nước mưa cuốn trôi, nước thải chưa xử lý; từ đường ống dẫn, nhất là khi dùng ống nhựa PVC/HDPE cũ, chất lượng kém, phụ kiện ống bị hỏng; từ bồn nhựa chứa nước; từ các bộ lọc nước không được bảo trì, thay lõi lọc... [5].

Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu của chính tác giả, rà soát các công nghệ Cấp thoát nước mới đã được áp dụng thực tiễn ở Việt Nam và trên thế giới, cũng như tổng hợp các công bố quốc tế và trong nước trong thời gian 10 năm vừa qua.

2. Thực trạng công nghệ xử lý nước cấp ở Việt Nam và một số thách thức hiện hữu

Công nghệ xử lý nước cấp ở Việt Nam

Dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp cho sinh hoạt với nguồn nước mặt ở Việt Nam chủ yếu bao gồm các công nghệ truyền thống, được áp dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới từ những năm đầu thế kỷ 20 đến nay, đó là clo hóa sơ bộ, keo tụ, lắng, lọc cát, khử trùng. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra, công nghệ keo tụ - lắng – lọc – khử trùng bằng clo không cho phép loại bỏ hiệu quả các keo hữu cơ bền vững, amoni và mangan. Clo hóa sơ bộ có thể nâng cao hiệu quả keo tụ, phá vỡ trạng thái bền vững của hệ keo trong nước, nhưng không thể nâng cao hiệu suất loại bỏ keo hữu cơ quá 40% [13][14][15], bên cạnh việc sinh ra các sản phẩm phụ gây ung thư. Nhiều công ty cấp nước ở Việt Nam đang phải vất vả tìm cách đối phó với chất ô nhiễm amoni, có nguồn gốc chủ yếu từ nước thải thâm nhập vào nguồn nước. Amoni có mặt trong nước tiêu thụ clo, cạnh tranh oxy khi cần xử lý đồng thời các chất hữu cơ, sắt và mangan, thúc đẩy quá trình phát triển màng sinh học trong lòng ống… Gần đây, sự có mặt của mangan do quá trình rửa trôi đất bề mặt, thành và lòng sông hồ, tồn tại ở cả dạng Mn²⁺ và các phức với các hợp chất hữu cơ, cũng là thách thức lớn. Mangan thâm nhập vào mạng lưới gây phát triển màng cặn màu đen gây tắc làm tăng tổn thất áp lực, nghẽn đường ống, tạo điều kiện cho vi sinh phát triển, tiêu thụ clo và gây phản cảm cho người sử dụng nước.

Một số trở ngại trong nghiên cứu, ứng dụng KHCN và chuyển đổi số ngành Nước ở Việt Nam

- Công nghệ CTN mới được ứng dụng chưa nhiều (mới chỉ dừng lại ở việc cải tiến 1 số quá trình xử lý, sử dụng các thiết bị cải tiến, để nâng cao hiệu quả vận hành). Mới chỉ có rất ít công ty cấp nước ở Việt Nam mạnh dạn triển khai các thử nghiệm, ứng dụng công nghệ mới, bắt kịp với xu hướng công nghệ của thế giới. Bên cạnh các nỗ lực cải tiến công nghệ để nâng cao hiệu quả vận hành, tiết kiệm nước rửa, hóa chất và điện ở một số công ty, như cải tạo bể lắng truyền thống thành lắng lamen, cải tạo bể phản ứng vách ngăn thành bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng kết hợp vùng tách cặn có tấm lamen, thay bể lọc 1 lớp bằng 2 lớp vật liệu, thay lọc nhanh có sàn trung gian gắn chụp lọc sang đan lọc, áp dụng thiết bị gom bùn siphon, thay sân phơi bùn bằng thiết bị ép bùn cơ khí, ứng dụng các thiết bị đo lường, kiểm soát, điều khiển, mới chỉ có rất ít công ty áp dụng công nghệ xử lý nước mới để xử lý các chất ô nhiễm không truyền thống. Có thể nêu một số ví dụ như sử dụng ozone để xử lý hữu cơ, mangan ở Nhà máy nước Tân Hiệp 2, sử dụng bể lọc sinh học UBCF để tiền xử lý nước chứa hữu cơ và amoni ở Công ty Cấp nước Hải Phòng, sử dụng bể lọc sinh học để xử lý amoni (cũng mới chỉ chuyển hóa amoni thành nitrat nhằm đạt quy chuẩn) ở Công ty Nước sạch Hà Nội, sử dụng ozone để xử lý hữu cơ ở Công ty Nước sạch nông thôn Nam Định, xây dựng cụm bể phản ứng với than hoạt tính dạng bột ở ngay đầu dây chuyền trước khâu keo tụ ở Nhà máy nước mặt sông Hồng. Một số công ty chấp nhận các giải pháp tình thế, dù chi phí tăng và không bền vững, như châm KMnO₄, than hoạt tính dạng bột, tăng liều lượng Clo hóa sơ bộ vào đầu dây chuyền khi nguồn nước diễn biến xấu, và duy trì dây chuyền cũ ở chế độ bình thường cho đỡ tốn kém, dù biết nước thương phẩm vẫn chứa đựng nhiều rủi ro. Các quy định về ngoại kiểm với tần suất quá thưa đối với các chất ô nhiễm đặc thù, tư duy "đáp ứng vừa đủ", quan niệm hạn chế về nghiên cứu – ứng dụng, thiếu thông tin về giải pháp công nghệ mới, thủ tục rườm rà trong đầu tư cải tạo, giá nước khó thay đổi khi tính cải tiến công nghệ mới vào giá thành, tình trạng thiếu động lực thay đổi ở lãnh đạo vẫn còn hiện hữu, là các rào cản đối với việc cải tiến đổi mới công nghệ ở các hệ thống cấp nước ở Việt Nam. 

- Các doanh nghiệp chưa mạnh dạn đầu tư nghiên cứu, học hỏi kinh nghiệm và cập nhật thông tin về các công nghệ mới từ các nước khác (mới chủ yếu học hỏi kinh nghiệm lẫn nhau, giữa các doanh nghiệp trong nước). 

- Nhiều doanh nghiệp có quỹ hoạt động KHCN tích lũy nhiều nhưng không biết tiêu vào việc gì. Hợp tác với các trường, viện, chuyên gia, các đối tác quốc tế để tranh thủ "chất xám" còn hạn chế. 

- Nhiều doanh nghiệp chưa thực sự đầu tư vào nghiên cứu – phát triển, mới chỉ quen vận hành theo quán tính; một số doanh nghiệp áp dụng công nghệ mới qua kênh của nhà thầu, để đảm bảo an toàn trong đầu tư nhưng lại bị phụ thuộc vào giải pháp và năng lực của nhà thầu. 

- Giá nước bị khống chế trong khung, tần suất lấy mẫu ngoại kiểm đối với các thông số ô nhiễm khó xử lý, thủ tục phê duyệt đầu tư cho cải tạo, đổi mới công nghệ còn rườm rà và chứa đựng rủi ro, quan niệm của một số doanh nghiệp về KHCN còn chưa bắt kịp xu thế… là những rào cản ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực CTN ở Việt Nam. 

- Ở Việt Nam, đã có nhiều doanh nghiệp cấp nước đang áp dụng công nghệ thông tin, các giải pháp tiên tiến trong quản lý vận hành, ở các mức độ khác nhau. Việc ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý nước ở Việt Nam chưa có hướng dẫn hay quy định mang tính đồng bộ, bắt buộc; quy định về việc kết nối, truyền dữ liệu đến cơ quan quản lý để kiểm tra, giám sát cũng chưa có; Các bản vẽ hoàn công trên giấy hay file mềm chưa được kết nối với hoạt động quản lý tài sản và hồ sơ vận hành, bảo dưỡng; việc số hóa hệ thống, công trình chỉ được triển khai sau khi xây dựng xong; … là các khó khăn đang gặp phải hiện nay. Bên cạnh đó, nhiều doanh nghiệp mong muốn triển khai quản trị nước thông minh vì hiểu được lợi ích trước mắt và lâu dài, nhưng còn lúng túng vì chưa biết bắt đầu từ đâu và lộ trình ra sao. 

- Việc kiểm soát chất lượng, lưu lượng nước theo thời gian thực từ nguồn đến các công đoạn sản xuất, tiêu thụ chưa được đồng bộ, chưa được số hóa, khó khăn trong kiểm soát dữ liệu, đánh giá, phân tích và có chính sách phù hợp. Hầu hết các hệ thống quản lý chỉ tập trung tại nhà máy nước với hệ thống SCADA, giám sát lưu lượng, cột áp tại một số điểm, và một số chỉ tiêu chất lượng nước. Hầu hết các hệ thống cấp nước chưa có giải pháp giám sát, dự báo mưa lũ, cảnh báo ô nhiễm bất thường hay nguy cơ khan hiếm, hạn hán, xâm nhập mặn nguồn nước thô. 

- Do chưa có cơ sở dữ liệu kết nối tổng thể từ hoạt động sản xuất, tiêu thụ, đến hệ thống quản lý tài sản, dữ liệu về lịch sử sửa chữa, thay thế vật tư, kế hoạch cải tạo, lắp đặt mới, bảo trì, … nên hiệu suất quản trị, tính bền vững, ổn định chưa cao. Nhiều trường hợp doanh nghiệp thiếu vật tư, thiết bị thay thế, thiếu phương án khắc phục, sửa chữa kịp thời khi sự cố xảy ra, gây gián đoạn sản xuất và ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ.

3. Một số giải pháp công nghệ xử lý nước mới điển hình

Bể lọc sinh học với than hoạt tính dạng hạt (BAC)

Trong bể lọc sinh học, than hoạt tính dạng hạt (GAC) hoặc anthracite là vật liệu lọc phổ biến được sử dụng. Anthracite có chi phí thấp hơn, nhưng GAC thường cho hiệu suất xử lý cao hơn, do diện tích tiếp xúc bề mặt của GAC lớn hơn (3-8 lần so với anthracite) [6]. Trong bể lọc sinh học với than hoạt tính dạng hạt BAC có sự tương tác giữa 4 yếu tố: các hạt than, vi sinh vật, các chất ô nhiễm, oxy hòa tan (Hình 1a). Các bon hoạt tính có diện tích tiếp xúc lớn, nhiều lỗ rỗng, có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trong nước, đóng vai trò vật liệu mang, là nơi dính bám và phát triển hệ màng vi sinh trong điều kiện môi trường thích hợp (nhiệt độ, dinh dưỡng, …). Màng vi sinh vật này có khả năng hấp thụ và chuyển hóa các chất hữu cơ, dinh dưỡng trong nước. BAC cho phép kiểm soát các sản phẩm hữu cơ phân hủy sau ozon hóa (hầu hết là các chất phân hủy được bằng sinh học), loại bỏ tốt các chất ô nhiễm vô cơ như amoni nhờ quá trình nitrat hóa sinh hóa, giúp giảm lượng Clo khử trùng và ngăn sự phát triển màng vi sinh trong đường ống cấp nước. BAC giảm nguy cơ tạo các chất hữu cơ khó xử lý, gây mùi vị bất lợi trong nước thương phẩm và tạo sản phẩm phụ DBPs khi khử trùng nước bằng Clo ở bước tiếp theo.

Bể lọc sinh học kết hợp với ozone hóa (O₃ - BAC)

Lọc sinh học không loại bỏ được hết các chất ô nhiễm, nhất là các chất khó phân hủy sinh học. Các chất này vẫn có nguy cơ tạo các sản phẩm phụ gây ung thư khi khử trùng bằng Clo. Để nâng cao hiệu suất xử lý, người ta áp dụng hệ O₃ - BAC. Ban đầu các chất hữu cơ sẽ được oxy hóa bởi ozone, tạo các phân tử nhỏ hơn, có thể được hấp phụ lên than hoạt tính và được phân hủy bởi màng vi sinh vật trong bể BAC. Oxy tạo thành từ phản ứng của ozone sẽ làm tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước và giúp quá trình phân hủy sinh học trong BAC (Hình 1b). Màng vi sinh vật từ BAC có thể bong ra và trôi cùng với nước, do vậy việc vận hành cần được kiểm soát tốt.

Hình 2 giới thiệu dây chuyền công nghệ xử lý nước tại Nhà máy nước Tai Po (Hồng Công), công suất 800.000 m³/ngày. Nhà máy tiếp nhận nước thô từ sông Dongjiang và hồ chứa Plove Cove. Dây chuyền bao gồm các quá trình keo tụ, tuyển nổi áp lực (DAF), lọc sinh học có sục khí (Primary aerated biological filters PABF) để xử lý ammonia, lọc cát nhanh (SRGF), sục ozone và bể lọc BAC để xử lý mangan, ammonia, loại bỏ các chất hữu cơ, và giảm liều lượng Clo tiêu thụ. Dây chuyền cũng cho phép tạo rào cản hữu hiệu để kiểm soát các vi sinh vật gây bệnh như Cryptosporidiun và Giardia (mục tiêu giảm 3-4 log). 

Lọc màng

Thị trường của công nghệ màng đang tăng trưởng rất mạnh. Năm 2015, thị trường của xử lý nước cấp, nước thải đô thị và công nghiệp bằng công nghệ màng là 3,9 tỷ USD. Năm 2025, thị trường này đã tăng lên 32,37 tỷ USD [8]. Các hướng nghiên cứu, phát triển hiện nay đang tập trung vào các giải pháp như: giảm mức tiêu thụ năng lượng của thẩm thấu ngược (RO) bằng cách sử dụng các vật liệu mới (màng với hạt nano, ống nano các bon, màng graphen,…), sử dụng các vật liệu mới, bền hơn cho màng MF, UF, NF. Màng gốm cũng có một triển vọng lớn, nhờ mức tiêu thụ năng lượng ít hơn, gọn, bền hơn. Một số công nghệ màng mới như kết hợp thẩm thấu xuôi chiều FO với màng RO áp lực thấp, làm nước bay hơi bằng nhiệt (từ năng lượng mặt trời, đốt chất thải, …) và cho dịch chuyển hơi nước qua màng (chứa khí) rồi ngưng tụ. Trung Quốc là nước có hoạt động nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng màng lọc mạnh mẽ nhất trong các năm gần đây [9]. Màng UF và NF áp lực thấp nhúng chìm, bao gồm cả màng tấm phẳng và sợi rỗng, hay giải pháp lọc trực tiếp dNF, được sản xuất và áp dụng ngày càng rộng rãi trong sinh hoạt và các ngành công nghiệp.

Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng Hà Nội phối hợp cùng Công ty Kuraray, Nhật Bản thử nghiệm ứng dụng màng lọc UF để xử lý nước cấp với nguồn nước sông Đà, Hòa Bình. Hình 4 thể hiện sự biến đổi của độ đục trong nước thô, giá trị trung bình ngày và độ đục tối đa, độ chênh áp qua màng (trans membrane pressure - TMP) và thông lượng tức thời (instataneous flux). Các số liệu được tổng hợp từ các thiết bị đo trực tuyến (on-line), thường xuyên tự động cập nhật dữ liệu: độ đục 2 phút/lần, thông lượng và áp suất 1,5 h/lần trong suốt 121 ngày vận hành. 

Độ đục trung bình ngày của nước sông dao động trong khoảng 10 đến 20 NTU, lớn nhất lên tới 500 NTU, tuy nhiên không có sự gia tăng TMP, cho thấy khả năng hoạt động ổn định của hệ thống dù chất lượng nước đầu vào biến đổi. Hệ thống hoạt động ổn định với thông lượng tức thời 137,5 L/m²/h và TMP 20-30 kPa. Mặc dù thông lượng tức thời tương đối cao, màng lọc vẫn giữ lại tốt các chất cặn, keo. Hình 4(b) biểu thị sự thay đổi của áp suất qua màng theo thời gian, bao gồm cả thời gian rửa màng bằng hóa chất H₂SO₄. Giá trị TMP có tăng nhẹ trước và trở lại bình thường sau khi rửa màng bằng H₂SO₄.

Ứng dụng Ozone trong xử lý nước

Ozone bắt đầu được sử dụng để khử trùng nước cấp từ 1910, và cho đến nay ngày càng được áp dụng nhiều hơn, nhất là khi có sức ép ngày càng tăng về việc kiểm soát DBPs và Cryptosporidium, Giardia. Ozone thường được điều chế tại chỗ từ oxy không khí hay oxy lỏng. Ozone có thế oxy hoá - khử tiêu chuẩn rất cao (2,07V) nên có khả năng oxy hoá nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ, tiêu diệt mầm bệnh, khử mùi, vị, màu của nước, với thời gian tiếp xúc rất ngắn. Ozone có thể được sử dụng trong tiền xử lý, loại bỏ mangan, sulfua hydro trong nước, khử mùi, vị của tảo trong nước hồ, phá vỡ trạng thái bền vững của keo hữu cơ, làm tăng hiệu suất keo tụ và giảm lượng hóa chất keo tụ. Ozone dùng trong công đoạn xử lý sau để khử trùng, loại bỏ các chất vi lượng. Hiệu suất oxy hóa sẽ được tăng lên rõ rệt nếu sử dụng kết hợp hydrogen peroxide (H₂O₂) cùng với ozone, khi cần oxy hóa các chất tồn dư trong nước (VOCs, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, khử màu, mùi, vị…). Một sản phẩm phụ của quá trình ozone hóa là bromate (BrO₃-), chất có khả năng gây ung thư, nếu nước nguồn chứa bromide.

Sử dụng bọt mịn và siêu mịn trong kiểm soát ô nhiễm nước

Sử dụng bọt khí mịn, đưa vào trong nước, nhằm kéo các chất bẩn dạng hạt và keo, tảo, … trong nước lên trên bề mặt và sau đó thu gom, tách ra khỏi nước, là một biện pháp hữu hiệu được áp dụng để xử lý nước cấp (thay cho quá trình lắng trọng lực), hay để khắc phục tình trạng ô nhiễm do tảo bùng phát, nâng cao chất lượng nước hồ. Đưa các bọt khí mịn vào hồ cũng làm cho hàm lượng oxy hòa tan trong nước tăng, giúp cải thiện rõ rệt chất lượng nước và tạo môi trường sống tốt hơn cho hệ sinh thái nước. Các nghiên cứu chỉ ra rằng kích thước bọt khí càng nhỏ thì thời gian tồn tại của chúng trong dung dịch càng dài. Đối với bọt khí micro, kích thước lớn hơn 1 µm, thời gian tồn tại của chúng thường được tính bằng phút; trong khi đó, bọt khí nano có thể tồn tại trong nước lên tới hàng tháng hay hàng năm. Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã nghiên cứu, làm chủ được công nghệ chế tạo bọt khí ở dạng micro (bọt khí mịn) và nano (siêu mịn), tích hợp vào các quá trình xử lý nước cấp, nước thải, bùn cặn, kiểm soát ô nhiễm hồ đô thị [11]. Công nghệ này cũng ứng dụng được trong trồng trọt, nuôi trồng thủy sản, vệ sinh công nghiệp, trị liệu và chăm sóc sức khỏe,…      

Ứng dụng chuyển đổi số trong cấp nước 

Hệ thống quản lý nước thông minh cho phép tích hợp giám sát và điều khiển đối với các hoạt động sản xuất và phân phối nước, quản lý tài sản và khách hàng, bảo vệ nguồn nước, thông qua thu nhận, phân tích dữ liệu và ra mệnh lệnh, nhằm đảm bảo cung cấp dịch vụ cấp nước với chất lượng tốt nhất một cách kịp thời, chính xác và an toàn trên toàn hệ thống cấp nước. Hệ thống thu nhận dữ liệu với các thông số khác nhau như tốc độ dòng chảy, lưu lượng tức thời và lưu lượng tích lũy, áp lực nước, các thông số chất lượng nước tại nguồn và trên các công đoạn xử lý, lưu trữ, phân phối nước... Dữ liệu được chuyển đến trung tâm, được phân tích, làm cơ sở đưa ra các quyết định nhằm tối ưu hóa. Với các thiết bị quan trắc on-line, các đột biến về lưu lượng và chất lượng nước nguồn như pH, hàm lượng hữu cơ, cặn lơ lửng, độ đục tăng vọt, sẽ được truyền về bộ phận kiểm soát theo thời gian thực, từ đó hệ thống tính toán và đưa ra những giải pháp ứng phó kịp thời như tạm dừng bơm nước thô và chuyển sang hồ dự trữ, bổ sung thêm hóa chất, … Với hệ thống định lượng phèn tự động điều chỉnh theo chất lượng nước, hay thiết bị biến tần điều chỉnh tốc độ quay của động cơ máy bơm, tiêu thụ hóa chất, năng lượng sẽ giảm. Hệ thống thông minh còn cho phép xử lý các thông tin về chỉ số vận hành thiết bị, xác định thời điểm cần bảo trì, thay thế,... Các cảm biến được lắp đặt trên toàn hệ thống còn cho phép nhận biết, cảnh báo rủi ro, sự cố về an toàn lao động kịp thời. Các hệ thống cấp thoát nước hiện đang phát triển cơ sở dữ liệu đồng bộ, tích hợp các phần mềm có tính năng học máy, cùng với mô hình song sinh số (digital twin) mô phỏng được hệ thống ngoài thực trên máy tính, để tự động phân tích, dự báo, đưa ra quyết định. Cấu trúc của một mô hình quản trị nước thông minh bao gồm: hệ thống công trình và thiết bị thông minh (đồng hồ điện từ, các thiết bị đo đạc, kiểm soát thông minh, vv.) cộng với hệ thống công nghệ thông tin – viễn thông để kết nối, phân tích, xử lý dữ liệu và lập trình điều khiển [12]. Tiến thêm một bước nữa, các robot tự động pha chế hóa chất, lấy mẫu và phân tích chất lượng nước, vệ sinh công nghiệp thay thế con người, đảm bảo chính xác, giảm nặng nhọc và loại trừ rủi ro.

4. Công nghệ cấp thoát nước trong 10 năm tới (2025-2035) và một số kiến nghị

5 xu hướng nghiên cứu, ứng dụng sẽ phát triển nhanh và mạnh, chiếm thị phần đáng kể trên thế giới trong ngành Nước 10 năm tới được dự báo như sau:

1/ Phát triển và ứng dụng rộng rãi các công nghệ tái chế nước, tái sử dụng nước thải và bùn cặn, thu hồi các chất có ích từ nước thải và bùn cặn, kiểm soát các chất ô nhiễm vi lượng trong nước nguồn và nước tái chế. Trong đó, công nghệ màng và ứng dụng chuyển đổi số sẽ đóng vai trò trung tâm trong xử lý và tái sử dụng nước thải sinh hoạt, công nghiệp, đặc biệt tại các vùng khan hiếm nước ngọt, hay các dự án không xả nước thải (zero liquid discharge - ZLD).

2/ Công nghệ lọc màng (vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược) tiếp tục được phát triển lên tầm cao mới, ứng dụng rộng rãi để xử lý các chất ô nhiễm mới, khử mặn, tái chế nước thải..., với vật liệu chế tạo màng bền hơn, ít tắc hơn, giá rẻ hơn, hệ thống màng lọc tiêu thụ năng lượng ít hơn, với các nhà cung cấp đa dạng hơn. Màng lọc UF, NF sẽ dần thay thế các bể lắng, lọc cát truyền thống, cả ở cấp nước quy mô vừa/nhỏ. Các bộ lọc UF tự rửa, không dùng hóa chất sẽ phổ biến tại vùng nông thôn và đô thị nhỏ. Màng NF áp lực thấp sẽ được ứng dụng để xử lý nước thải sinh hoạt/tái sử dụng nước thải có độ khoáng thấp. Màng RO áp lực thấp, tiết kiệm năng lượng sẽ sử dụng phổ biến trong tái chế nước thải. Hệ màng lọc thông minh tự rửa, mô phỏng và cảnh báo tắc nghẽn sẽ trở thành tiêu chuẩn, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML). Màng NF chọn lọc sẽ được dùng để thu hồi chất dinh dưỡng, kim loại nặng trong nước thải công nghiệp. Các hệ thống Al-MBR sẽ chiếm ưu thế trong xử lý nước thải đô thị do hiệu suất xử lý cao và tiết kiệm diện tích. Màng AnMBR sẽ được ứng dụng để xử lý nước thải giàu hữu cơ (chăn nuôi, chế biến thực phẩm), sản xuất điện và nhiệt từ biogas. Thẩm thấu xuôi chiều (Forward Osmosis - FO) sẽ được ứng dụng rộng để xử lý nước thải siêu đặc, thu hồi nước siêu sạch, tích hợp với các hệ pin nhiên liệu vi sinh.

3/ Các giải pháp tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm hóa chất, tối ưu hóa vận hành hệ thống CTN sẽ trở thành tiêu chuẩn và ngày càng đa dạng. Các hệ thống thu hồi năng lượng (ERD), kết hợp xử lý, thu hồi các chất dinh dưỡng, kim loại quý, sẽ phổ biến hơn. Năng lượng tái tạo sẽ được sản xuất (mặt trời, gió, nhiệt năng, vi tuốc-bin, …) và cung cấp cho bản thân các quá trình xử lý nước cấp, nước thải. Các hoạt động kiểm toán năng lượng, kiểm toán phát thải khí nhà kính trở thành tiêu chuẩn trong hoạt động sản xuất và kinh doanh nước, thu gom và xử lý nước thải.

4/ Các công nghệ dựa vào tự nhiên, thân thiện với môi trường, sẽ gia tăng thị phần. Công nghệ bọt mịn và siêu mịn được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Các quá trình xử lý dựa vào điều kiện tự nhiên, các công trình sinh thái sẽ được chú trọng dành quỹ đất để áp dụng. Các nhà sản xuất vật tư, thiết bị sẽ quan tâm đến sản phẩm của mình theo hết vòng đời của nó, bao gồm phát triển các vật liệu xanh, ít phát thải, tái chế vật liệu. Màng lọc sẽ được sản xuất từ polyme sinh học, vật liệu tái chế và có khả năng tái sử dụng nhiều vòng.

5/ Chuyển đổi số trong ngành nước, kể cả nước cấp và nước thải sẽ có bước phát triển vượt bậc. Từ việc phát triển các cảm biến và thiết bị đo lường, các phương thức truyền dữ liệu có dây và không dây, phát triển cơ sở dữ liệu lớn và học máy (ML), thiết lập các trung tâm điều khiển đa năng, đến các phần mềm thông minh, các công cụ "song sinh số" (digital twin), sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) hay robot trong các hoạt động sản xuất nước, …

Mạnh dạn ứng dụng công nghệ cấp thoát nước mới, triển khai áp dụng quản trị nước thông minh sẽ góp phần đảm bảo an ninh nguồn nước của khu vực và quốc gia, giúp điều tiết, sử dụng tài nguyên nước hợp lý, giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng và nâng cao chất lượng cuộc sống, đảm bảo an ninh, an toàn và an sinh xã hội. Những lợi ích do ứng dụng KHCN mới không chỉ cho bản thân doanh nghiệp mà còn cho cả cộng đồng. Nhà nước cần xây dựng và ban hành các chính sách phù hợp, hướng dẫn thực hiện và có cơ chế hỗ trợ, khuyến khích ứng dụng KHCN, như tính vào khung giá nước, khuyến khích hỗ trợ doanh nghiệp và cho phép tăng giá nước ở khu vực có chất lượng dịch vụ được cải tiến, nâng cao... Cơ chế này sẽ khuyến khích các đơn vị cấp nước chủ động, sáng tạo, ứng dụng KHCN trong thời gian tới.

Để triển khai nghiên cứu, ứng dụng được KHCN, cần xây dựng kế hoạch hợp lý, chuẩn bị nguồn lực phù hợp (cả về quan niệm, con người, cơ sở vật chất, lẫn hành lang pháp lý…). Các doanh nghiệp CTN và đơn vị sản xuất, cung cấp vật tư, thiết bị ngành nước phải là chủ thể chính để thúc đẩy các hoạt động này, cùng với sự tham gia của các trường đại học, đơn vị tư vấn, các đối tác quốc tế... Hội CTNVN là cầu nối, và các cơ quan quản lý tạo cơ chế để khuyến khích, thúc đẩy sự hợp tác của các bên.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Việt Anh. 2021. Vai trò của khoa học và công nghệ trong ngành nước, đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ giai đoạn 2021 – 2025, Tạp chí Cấp thoát nước, số 10/2021.

2. Bộ Xây dựng. 3/2025. Tờ trình Chính phủ về xây dựng Luật Cấp thoát nước.

3. Yu, J., et al. 2009, Perfluorooctane sulfonate (PFOS) and perfluorooctanoic acid (PFOA) in sewage treatment plants. Water Res., Vol. 43, p. 2399– 2408.

4. Sudarshan Kurwadkar, Jason Dane, Sushil R. Kanel, Mallikarjuna N. Nadagouda, Ryan W. Cawdrey, Balram Ambade, Garrett C. Struckhoff, Richard Wilkin. 2022, Per- and polyfluoroalkyl substances in water and wastewater: A critical review of their global occurrence and distribution. Science of The Total Environment, Vol. Volume 809, p. 151003.

5. Surya Singh, Tanwi Trushna, Madhanraj Kalyanasundaram, Ashok J. Tamhankar, Vishal Diwan. 2022, Microplastics in drinking water: a macro issue. Water Supply, Vol. 22, p. 5650–5674.

6. Nguyễn Việt Anh. 2016, Xu hướng phát triển công nghệ xử lý nước cấp trên Thế giới thế kỷ 21 và lựa chọn công nghệ phù hợp với Việt Nam. Tạp chí Cấp thoát nước, 11/2016, p. 1-5.

7. Department of Water Supplies. (Phòng Cấp nước), Chính quyền Đặc khu Hồng Công. [Riportato: 30 June 2025.] https://www.wsd.gov.hk/en/core-businesses.

8. marketresearchfuture.com. [Riportato: 30 June 2025.] https://www.marketresearchfuture.com/reports/membrane-water-and-wastewater-treatment-market-37104.

9. Jia, Jinjin & Rui, Min & Cheng, Xiaoxiang & Liang, Heng. 2023, Application of ultrafiltration technology in drinking water industry of China: A comprehensive assessment of hybrid membrane processes. AQUA - Water Infrastructure Ecosystems and Society, Vol. 72.

10. Yabuno Y, Nishikawa T, Yasui T, Nakanishi H, Nguyen Viet Anh. 2019, Đánh giá công nghệ keo tụ - lọc màng UF, so sánh với công nghệ xử lý nước mặt truyền thống. Tạp chí Cấp thoát nước, Vol. 6, p. 42-45.

11. Nguyễn Việt Anh và nnk, 2024. Báo cáo kết quả đề tài NCKH cấp Bộ: Nghiên cứu chế tạo thiết bị tạo bọt khí mịn và siêu mịn và ứng dụng trong kiểm soát ô nhiễm hồ đô thị. Viện KH&KT Môi trường, Trường ĐHXDHN - Bộ Tài nguyên và Môi trường.

12. Lê Thu Thủy, Bùi Du Dương, Lê Phương Anh, Nguyễn Việt Anh. 2020, Quản trị nước thông minh: kinh nghiệm quốc tế và ứng dụng cho Việt Nam. Tạp chí Cấp thoát nước, Vol. 11/2020, p. 82-89.

13. Pham Thi Thuy, Moons K., van Dijk J.C., Nguyen Viet Anh, Van der Bruggen B. 2008. To what extent are pesticides removed from surface water during coagulation-flocculation? Water and Environment Journal, CIWEM, Blackwell Publishing, Vol. 22, p. 217–223.

14. Pham Thi Thuy, Nguyen Viet Anh, Bart van der Bruggen, 2011. Evaluation of Two Low-Cost – High-Performance Adsorbent Materials in the Waste-to-Product Approach for the Removal of Pesticides from Drinking Water. Journal Clean – Soil, Air, Water, © WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, p. 1-8.

15. Đào Thị Minh Nguyệt, nnk. 2021. Nghiên cứu giải pháp xử lý đồng thời các chất ô nhiễm hữu cơ, amoni và mangan trong nước mặt sử dụng bể lọc sinh học tiếp xúc. Đề tài nghiên cứu cấp Bộ Xây dựng.

Tác giả: GS. TS. Nguyễn Việt Anh

^{Phó Chủ tịch Hội Cấp Thoát nước Việt Nam;}

^{Viện trưởng, Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng Hà Nội}

^{E-mail: AnhNV@HUCE.edu.vn; ĐT: 0901320.9689}