Ngăn ngừa sự hình thành và loại bỏ các sản phẩm phụ độc hại khi khử trùng nước bằng clo

MỘT SỐ GIẢI PHÁP LOẠI BỎ NGUY CƠ VÀ XỬ LÝ THMs TRONG NƯỚC CẤP

Về nguyên tắc, có 3 cách cơ bản để kiểm soát THMs trong hệ thống xử lý nước cấp: thay đổi loại hóa chất khử trùng hoặc tối ưu hóa môi trường khử trùng; giảm sự hình thành THMs ban đầu bằng cách giảm nồng độ tiền chất hữu cơ trước điểm khử trùng; và  hạn chế sự hình thành THMs bằng cách giảm liều lượng khử trùng, loại bỏ các THMs sau khi chúng đã hình thành [3]. 

a. Thay đổi phương pháp khử trùng để không tạo THMs.

Việc ứng dụng tác nhân ôxy hóa mạnh, điển hình là Ozone (O3) và tia UV (ultraviolet), là một trong những biện pháp khử trùng hữu hiệu nhằm giảm thiểu sự hình thành THMs. 

Ozone là chất khí được điều chế tại chỗ từ oxy, bằng phương pháp phóng điện qua không khí hoặc oxy. 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, loại bỏ sắt và mangan, tiêu diệt mầm bệnh, khử mùi, vị, màu của nước,… với thời gian tiếp xúc rất ngắn. Ozone cũng có thể phá vỡ trạng thái bền vững của keo hữu cơ, làm tăng hiệu suất keo tụ và giảm lượng hóa chất tiêu thụ. Ozone dùng trong công đoạn khử trùng, loại bỏ các chất vi lượng. Trong quá trình xử lý nước, Ozone không dẫn đến sự hình thành các hợp chất halogen hóa như THMs, nhưng nếu THMs được hình thành, chúng sẽ bị ôxy hóa bởi O3.

Tia UV được sử dụng để khử trùng nước nhờ bức xạ tia sáng với bước sóng 250 - 270 nm. Thời gian tiếp xúc vài giây đủ để vô hiệu hóa các vi sinh vật có trong nước. Năng lượng UV phá cấu trúc ADN của vi sinh vật và ngăn chúng sinh sôi. Từ những năm 50 đến nay, UV được sử dụng để khử trùng ở trên 500 nhà máy nước ở Mỹ, trên 1.500 nhà máy ở châu Âu, với công suất nhỏ (phổ biến) đến công suất lớn (ngày càng nhiều hơn). Tiêu chuẩn về liều lượng UV: của Mỹ là 38 mW.s/cm2; của Nauy là 16 mW.s/cm2, của Áo là 30 mW.s/cm2, đủ để vô hiệu hóa bào tử vi khuẩn chỉ thị [9]. Tia UV không tạo ra phản ứng với clo trong quá trình khử trùng nhưng lại ít có tác động đến thành phần hữu cơ trong nước.

Cũng có thể thay clo hoạt tính bằng dioxit clo. Khi cho dioxit clo vào nước, các ion clorit sẽ tiếp nhận điện tử từ các hóa chất khác trong nước để khử thành ion clorua và oxy hóa các chất khác theo cơ chế phản ứng sau đây:

ClO2 +e- →ClO2- 

ClO2- +2H2O + 4e- → Cl- + 4OH-   

Dioxit clo là chất oxi hóa mạnh biến đổi mạnh gấp 5 lần trong bản chất oxi hóa so với clo. Đồng thời, khác với clo hoạt tính, dioxit clo tồn tại trong nước lâu hơn và có tác dụng diệt trùng ngay cả ở trong môi trường kiềm. Do chỉ phản ứng oxi hóa nên  dioxit clo ít kết hợp với các hợp chất hữu cơ khác để tạo thành các sản phẩm như phenol clo hóa, THMs, dioxin,... Các sản phẩm phụ tạo ra khi dioxit clo tác dụng với nước là các clorit, clorat vô hại.

b. Xử lý các chất hữu cơ trước khử trùng

Quá trình lọc sinh học sử dụng để hỗ trợ số lượng vi khuẩn cần thiết để phân hủy các chất gây ô nhiễm. Việc áp dụng bể lọc tiếp xúc sinh học dòng chảy từ dưới lên U-BCF là giải pháp hữu hiệu góp phần ứng phó với ô nhiễm nguồn nước. Nguyên lý hoạt động U-BCF là loại bể lọc tiếp xúc sinh học, sử dụng than hoạt tính dạng hạt (biological activated carbon -BAC) làm môi trường cho các sinh vật sinh sống. Hệ BAC tổng hợp các quá trình tương tác giữa 4 yếu tố: các hạt than, vi sinh vật, các chất ô nhiễm, oxy hòa tan. Các hạt các bon hoạt tính được sử dụng như vật liệu mang, nơi dính bám và phát triển hệ màng vi sinh. Hạt các bon hoạt tính có diện tích tiếp xúc lớn, nhiều lỗ rỗng, có khả năng hấp phụ oxy hòa tan, các chất hữu cơ trong nước. Trong điều kiện môi trường thích hợp (nhiệt độ, dinh dưỡng,..), các vi sinh vật này phát triển và tạo thành BAC, có khả năng hấp thụ và chuyển hóa các chất hữu cơ, dinh dưỡng trong nước. Vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để hô hấp, phân hủy chất ô nhiễm. Quy trình hoạt động của bể U-BCF là nước thô đi dưới lên trên, xuyên qua lớp than hoạt tính, sau đó được thu vào máng ở phần trên của bể và đi vào các công đoạn sản xuất khác cho đến khi thành nước sạch theo tiêu chuẩn quy định. 

Nhựa trao đổi ion từ tính (Magnetic Ion Exchange -MIEX) là một loại nhựa trao đổi anion được tăng cường từ tính bao gồm hạt polyacrylic độ rỗng lớn được phối trộn với các hạt oxit sắt từ tính. Kích thước hạt của nhựa MIEX xấp xỉ 200 μm, nhỏ hơn 2–5 lần so với nhựa trao đổi anion thông thường. Nhựa MIEX được tạo ra như một quy trình thay thế cho quá trình keo tụ để loại bỏ các phần tử cacbon hữu cơ hòa tan và giảm sự hình thành DBP sau đó khi khử trùng bằng clo. Công nghệ (MIEX) có khả năng loại bỏ được 30–80% chất hữu cơ hòa tan khỏi nước uống, cao hơn so với sự đông tụ của phèn nhôm hoặc phèn sắt [10]. Một trong những ưu điểm chính của nhựa MIEX là tiền xử lý để keo tụ, theo đó liều lượng hóa chất có thể được giảm đến 50–75% [11]. Keo tụ nhờ MIEX làm giảm mạnh nguy cơ tắc màng UF/MF khi xử lý các chất NOM trong nước bằng công nghệ màng lọc tiếp sau đó. 

Quá trình lọc qua màng có hiệu quả xử lý các NOMs tốt hơn so với các quá trình xử lý khác và được xem là phương pháp tốt nhất để loại bỏ các tiền chất THMs nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn nước uống. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong việc sử dụng màng lọc là chi phí vận hành do màng dễ nghẹt, lượng điện năng tiêu thụ lớn,... Trong nghiên cứu của Kim và cộng sự (2005), hệ thống màng lọc UF/NF được áp dụng để xử lý THMFP trong mẫu nước sông Hàn, Hàn Quốc, và đạt được hiệu suất 85,04%, trong đó, 46,68% THMFP đã được loại bỏ sau màng lọc UF. Trong khi đó, khi ứng dụng quy trình xử lý truyền thống bao gồm keo tụ tạo bông, lắng, lọc cát kết hợp với than hoạt tính dạng hạt (Granule activated carbon - GAC) thì chỉ loại bỏ được 67,59% tổng THMFP, còn khi kết hợp với màng NF thì đạt được hiệu suất 83,85% loại bỏ THMFP [12].

c. Loại bỏ THMs sau khử trùng

Giải pháp tổ hợp H2O2/UV có khả năng khoáng hóa NOMs và hiệu quả cao trong xử lý DBPs và THMs.  Yongjun Xiao và cộng sự (2014) nghiên cứu sự phân hủy quang hóa I-THMs (Iodinated Trihalomethanes) trong nước bằng bức xạ UV bước sóng 254 nm thấy rằng ITHM được phân hủy quang hóa nhanh chóng thông qua sự phân cắt liên kết cacbon-halogen với hằng số tốc độ bậc nhất trong khoảng 0,1–0,6 phút-1 [13]. Việc sử dụng màng UF cho thấy hiệu quả loại bỏ chloroformhơn rất nhiều so với màng lọc NF và màng thẩm thấu ngược (reverse osmosis - RO), tuy nhiên, lí do cho ưu điểm này của màng UF lại chưa được xác định cụ thể, có thể do kích thước hay vật liệu của màng lọc.

Tổng hợp hiệu quả loại bỏ các chất hữu cơ, các sản phẩm phụ quá trình clo hóa nước Trihalomethane (THMs),… được nêu trên Hình 2.

KẾT LUẬN

Việc khử trùng nước bằng clo hoạt tính có chi phí thấp, dễ sử dụng và giúp bất hoạt nhanh các vi khuẩn gây bệnh,... Tuy nhiên, quá trình này có thể dẫn đến sự hình thành các sản phẩm phụ (DBPs), trong đó trihalomethane (THMs) có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Để đảm bảo chất lượng nước ăn uống và sinh hoạt Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cũng như Bộ Y tế Việt Nam có những quy định chặt chẽ về nồng độ giá trị tối đa các dạng THMs trong nước. Để kiểm soát THMs trong hệ thống xử lý nước cấp có thể thực hiện các giải pháp: thay đổi loại hóa chất khử trùng hoặc tối ưu hóa môi trường khử trùng; giảm sự hình thành THMs ban đầu bằng cách giảm nồng độ tiền chất hữu cơ trước điểm khử trùng; và  hạn chế sự hình thành THMs bằng cách giảm liều lượng khử trùng, loại bỏ các THMs sau khi chúng đã hình thành

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Ritson JP, Graham NJD, Templeton MR, Clark JM, Gough R, Freeman C. The impact of climate change on the treatability of dissolved organic matter (DOM) in upland water supplies: a UK perspective. Sci Total Environ. 2014;473–474(0):714–30. 

2. Delpla I, Jung AV, Baures E, Clement M, Thomas O. Impacts of climate change on surface water quality in relation to drinking water production. Environ Int. 2009;35(8):1225–33. 

3. Nguyễn Thị Thanh Phượng, Trần Ngọc Hân, Nguyễn Xuân Lan, Trihalomethane (THMs) trong nước cấp - Tổng hợp tài liệu. Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề II/2018.

4. QCVN 01-1:2018/BYT về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt.

5. Rook JJ. Formation of haloforms during chlorination of natural waters. Water Treatment Examination. 1974; 23:234-243.

6. Richardson SD. The role of GC-MS and LC-MS in the discovery of drinking water disinfection by-products. Environmental Monitoring. 2002;4(1):1-9.

7. Lin, Tsair-Fuh, Shih-Wen Hoang. Inhalation exposure to THMs from drinking water in south Taiwan. Science Total Environment. 2000; 246: 41-49.

8. Backer, LC, Ashley DL, Bonin MA, Cardinali FL, Kieszak SM, and Wooten JV. Household exposures to drinking water disinfection by-products: whole blood trihalomethanes levels. J Expo Anal Environ Epidemiology. 2000; July-August 10(4); 321-6.

9. Nguyễn Việt Anh. Xu hướng phát triển công nghệ xử lý nước cấp trên Thế giới. Tạp chí Môi trường và đô thị, 2018.

10. Boyer TH, Miller CT, Singer PC. Modeling the removal of dissolved organic carbon by ion exchange in a completely mixed flow reactor. Water Res. 2008;42(8–9):1897–906.  

11. Singer PC, Bilyk K. Enhanced coagulation using a magnetic ion exchange resin. Water Res. 2002; 36: 4009–22.

12. M.H. Kim, M.J. Yu, Characterization of NOM in the Han River and evaluation of treatability using UF–NF membrane, Environmental Research, 97(2005):116-123.