Khử trùng nước sinh hoạt cho các vùng cấp nước Cao Nguyên

Nước sạch giữ vai quan trọng trong đời sống của con người. Khi mức sống người dân ngày càng nâng cao, nhu cầu dùng nước sạch, nước không nhiễm bẩn cũng từ đó mà tăng theo. Tuy nhiên, ở một số vị trí đặc thù ở Việt Nam cụ thể là Đà Lạt số hộ dân hiện đang dùng nước giếng khoan là không kiểm soát được, điều đáng nói, Đà Lạt là nơi tập trung các dự án nhà kính nông nghiệp lớn nhỏ, đây là nguyên nhân chính khiến nước ngầm mạch nông nhiễm khuẩn vi sinh, kim loại nặng và chất rắn lơ lửng. Mối nguy mà người dân sinh sống tại đây không hoàn toàn nhận thấy được, hiểu được vấn đề này nghiên cứu đưa ra giải pháp khử trùng an toàn cho mạng lưới cấp nước đến các hộ dân sinh sống tại vùng cao. Vị trí nghiên cứu tại trạm bơm cấp nước Xuân Trường thuộc TP. Đà Lạt, tỉnh Lâm Đồng. Phương pháp nghiên cứu phân tích và đánh giá số liệu thu thập được từ quá trình vận hành hệ thống CloRun. Nước sạch sau khi khử khùng có nồng độ Clo dư trong ngưỡng cho phép từ 0,3 - 0,5 (mg/l hay ppm).

Giới thiệu

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính rằng 663 triệu người không được tiếp cận với nguồn nước sạch [2]. Đối với dân số không có khả năng tiếp cận nguồn nước sạch, phương pháp xử lý nước tại chỗ được áp dụng để cải thiện chất lượng nước uống, giảm nguy cơ mắc bệnh tiêu chảy và các bệnh lây truyền qua nước khác [5, 7].

Ở Indonesia, bệnh tiêu chảy là một yếu tố góp phần quan trọng đến tỷ lệ mắc bệnh và tử vong ở trẻ nhỏ [8, 9]. Phần lớn nguyên nhân là do chất lượng nước kém [10]. Do đó, chính phủ Indonesia đã khuyến khích dùng nước đun sôi ở cấp hộ gia đình trong nhiều thập kỷ và đun sôi nước đã trở thành một thói quen cố thủ. Tuy nhiên, phương pháp này tốn kém [11, 12], gây hại cho môi trường [10, 13] và không có chất tồn dư chống lại sự tái nhiễm bẩn, mặc dù bảo quản an toàn có thể giảm thiểu rủi ro này [14, 15]. Một đánh giá năm 2007 tại Indonesia cho thấy, những người trả lời áp dụng biện pháp đun sôi nước ít có khả năng nhiễm Escherichia coli của nước bảo quản trong nhà so với những người không đun sôi, nhưng gần một nửa số mẫu nước đun sôi bảo quản bị nhiễm bẩn [16]. Phát hiện này có thể là kết quả của bảo quản nước không an toàn khi không có những chất tồn dư ngăn chặn sự tái nhiễm bẩn trong nước sạch.

Một số tài nghiên cứu đã kiến nghị thêm Clo trong nước sinh hoạt ở mức độ an toàn như biện pháp chống sự tái nhiễm bẩn. Clo tồn tại trong nước dưới dạng clo dư Clo giúp giảm thiểu ảnh hưởng của ô nhiễm lại bằng cách làm bất hoạt các vi khuẩn có thể xâm nhập vào nguồn nước sau khi đã khử trùng bằng clo. Điều quan trọng là phải tính đến liều lượng clo để bảo đảm Clo dư luôn tồn tại.

Mức độ dư clo cần thay đổi tùy theo đặc tính nước và điều kiện địa phương. Trong các nguồn cung cấp nước được khử trùng bằng Clo, phải luôn có tối thiểu 0,5 mg / lít Clo dư sau 30 phút tiếp xúc trong nước [17]. Trong bảng giới hạn các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt được trích từ QCVN 02: 2009/BYT cũng đã nêu rõ chỉ tiêu Clo dư trong nước được quy định trong khoảng từ 0,3 – 0,5 (mg/l) [18]. Nhận thấy tầm quan trọng của Clo dư trong nước, nghiên cứu nhằm mục đích tìm ra phương án phù hợp cho việc bảo đảm và nâng cao chất lượng nước sạch cho người dân tỉnh Lâm Đồng, đây là vùng cấp nước xa nhà máy xử lý nước nên hàm lượng clo dư trong nước không đủ, chất lượng nước không đảm bảo.

Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Chlorun (Natri Dichloroisocyanurat - NaDCC/ NaCl₂(NCO)₃) là một hợp chất clo hữu cơ có sẵn ở dạng viên hoặc dạng hạt. NaDCC tạo ra HOCl là chất khử trùng và do đó hiệu quả tương tự như với clo (Coates, 1985; Dychdala, 2001). NaDCC và NaOCl đều khử trùng mầm bệnh dưới nước (Bloomfield & Arthur, 1992; Dychdala, 2001; Heling, et al., 2001; Clasen & Edmonson, 2006). NaDCC ổn định hơn dung dịch clo lỏng và có thời hạn sử dụng lâu hơn. Tuổi thọ hơn 30 tháng trong điều kiện ẩm ướt và 5 năm trong điều kiện khô ráo (T. F. Clasen, 2009; Coates, 1987).

Khử trùng bằng Clo dạng khí : Khử trùng bằng clo bao gồm các biến thể của clo và các hợp chất Clo, hầu hết đều khử trùng bằng Clo tự do dưới dạng axit hypochlorous (HOCl) và OCl-. Sử dụng khí Clo phức tạp, khó khăn trong việc lưu trữ và sử dụng và yêu cầu các kỹ năng cần thiết. Cl2 có thể không an toàn để xử lý, rủi ro nguy hiểm khi vận chuyển và được xếp loại là khí độc (EPA, 1999). Các dung dịch khí Clo kém bền hơn so với các dung dịch được điều chế từ natri hypochlorite (Berman & Hoff, 1984). Các nhà máy sử dụng khí Clo có chi phí đầu tư ban đầu và vận hành rất cao, khoảng US$ 2.400 cho lần đầu tiên, nhưng chi phí vòng đời rất thấp ở mức US $ 0,06 trên 1.000 lít. (Burch & Thomas,1998).

So sánh ChloRun và Hypochlorite: Natri hypochlorite (NaClO) là hoá chất được sử dụng phổ biến nhất hiện tại. NaClO phản ứng trong nước theo phương trình sau:

NaClO + H₂O- > HOCl + NaOH

Natri Hypochlorite nước Acid HypochloroNatri hydroxit

Hypochlorite không ổn định và có xu hướng bị phân huỷ. NaClO tạo ra sản phẩm phụ (DBPs) halogen. Những DBP này đã gây lo ngại với việc sử dụng clo (Hua & Reckhow, 2007; Monarca, et al., 2002; Richardson, et al., 2000). NaOCl mất ổn định và xuống cấp nhanh chóng với thời hạn sử dụng nhỏ hơn 6-12 tháng (Burch & Thomas, 1998; Lantagne, 2009). Các yếu tố ảnh hưởng xấu đến tính ổn định và hiệu quả của NaOCl bao gồm vận chuyển và lưu trữ không đúng cách; tiếp xúc với nhiệt, ánh sáng và không khí; tiếp xúc với các ion kim loại trong quá trình sản xuất; tăng pH; và nồng độ clo (Burch & Thomas, 1998; Lantagne, 2009; Piskin & Turkun, 1995; Rutala, et al., 1998). Chất tẩy trắng dạng lỏng không được khuyến nghị ở các nước đang phát triển mà không có thử nghiệm kiểm soát chất lượng liên tục (T. F.Clasen, 2009; Lantagne, 2009. Dung dịch NaOCl có thể bị ăn mòn và không an toàn để xử lý (ATSDR, 2003; Coates, 1985).

Như vậy, sự ổn định của hypochlorite phụ thuộc vào 5 yếu tố chính sau: Nồng độ của Hypochlorite, Độ kiềm hoặc độ pH của dung dịch, Nhiệt độ của dung dịch hypochlorite cả khi chuẩn bị và khi lưu trữ, Nồng độ của các tạp chất nhất định làm xúc tác phân huỷ, Tiếp xúc với ánh sáng, ChloRun khi hoà tan trong nước, thủy phân theo phương trình sau:

NaCl₂(NCO)₃ * H₂O + H₂O -> 2HOCl + Na+ + C₃N₃O₃H₃

Chlorun nước Axid Hypochlorous Acid Cyanuric

(Chất khử trùng)

Acid Hypochlorous (HOCl) là chất phản ứng và oxy hoá với một loạt các chất hữu cơ và vô cơ trong nước. HOCl trong nước bị phân ly thành acid hydrochloric (HCl) và ion hypochlorite (OCl-), tuỳ vào độ kiềm của nước.

HOCl <—> HCl + OCL-

 Hình 1.  Tỷ lệ tương đối của HOCl và OCl - trong khoảng pH từ 5 đến 12 ở 200C [19]

Acid Hypochlorous (HOCl) có khả năng diệt khuẩn cao hơn so với ion Hypochlorite (OCl -). Ion Hypochlorite chỉ có tác dụng sinh học bằng 1% của HOCl. Do đó, ở cùng nồng độ Clo, pH của dung dịch càng thấp thì khả năng khử trùng càng cao.

Bảng 1. So sánh đặc tính TCCA và Chlorun

So sánh ChloRun NaDCC.2H₂0 và TCCA (C₃Cl₃N₃O₃):

Bảng 2. So sánh tính hiệu quả giữa TCCA và Chlorun 

Cả hai hóa chất được sử dụng để khử trùng nước. Tuy nhiên, đối với nước sinh hoạt, ChloRun có đặc tính hòa tan tốt hơn, dễ xử lý và an toàn hơn. Nước sinh hoạt phải có giá trị pH từ 6,5-8,5 (EPA). Nước có độ pH cao có vị hơi giống như baking soda và có thể để lại cặn. Mặt khác, nước có độ pH thấp có thể có vị đắng hoặc kim loại, và có thể gây ăn mòn. Trong khi đó, ChloRun gần như trung tính, do đó tốt hơn và an toàn hơn để khử trùng nước sinh hoạt. TCCA là chất dễ cháy và là chất oxy hóa mạnh gây nguy hiểm cho người vận hành. Ngoài ra, TCCA rất khô và ăn mòn nên rất nhạy cảm hơn với môi trường ẩm ướt.

So sánh các chất khử trùng bằng Clo khác nhau

Bảng 3. So sánh các chất khử trùng bằng Clo khác nhau

Đánh giá các phương án khả thi tại trạm bơm Xuân Trường, tỉnh Lâm Đồng

Trạm bơm tăng áp Xuân Trường cách trung tâm TP. Đà Lạt hơn 20 km, cung cấp nước sạch cho người dân thuộc địa bàn xã Xuân Trường, xã Trạm Hành. Đây là vị trí có địa hình đèo núi hiểm trở, việc chọn một hệ thống châm Clo như Clo khí hóa lỏng là điều dường như không thể, vì hệ thống này đòi hỏi phải có biện pháp thay mới các bình Clo sau mỗi chu kì sử dụng, điều này làm tăng nguy cơ cháy nổ và nguy hiểm đến con người, yêu cầu kỹ thuật và biện pháp bảo vệ an toàn cao trong quá trình vận chuyển. Ngoài ra, khi sử dụng Clo khí hóa lỏng phải xây dựng thêm các công trình phụ trợ tại vị trí châm clo để bảo đảm an toàn mỗi khi có sự cố rò rỉ, điều này gây phát sinh vốn đầu tư và hao tốn nhiều diện tích xây dựng. Từ đó, có thể thấy phương án này bộc lộ nhiều điểm bất lợi và không khả thi cho các khu vực cấp nước ở vùng như Xuân Trường.

Nghiên cứu được thực hiện để tìm ra phương án lắp đặt hệ thống châm Clo dạng hạt (CloRun) phù hợp với các công trình trạm bơm nước sạch quy mô vừa và nhỏ. Yêu cầu đặt ra là bảo đảm một hệ thống an toàn với môi trường, cụ thể loại trừ nguy cơ cháy nổ, rò rỉ trong quá trình vận hành, và bảo đảm khả năng khử trùng cấp.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống CloRun tại trạm bơm Xuân Trường:

Mô tả chế độ vận hành

Nước sạch được dẫn về trạm bơm nước sạch Xuân Trường và lưu trữ trong một bể chứa, sau đó bơm tăng áp hút lên và phát vào mạng lưới. Hệ thống CloRun nhằm mục đích châm bổ sung Clo thông qua hệ thống CloRun vào bể chứa trong trạm bơm.

Hệ thống có một bộ đo clo online để liên tục quan trắc clo dư sau điểm châm clo, và điều khiển bơm định lượng. Cụ thể: Một phần nước sau khi qua ống trộn hóa chất sẽ được dẫn về bộ cảm biến đặt gần hệ thống CloRun, khi đó từ bộ cảm biến sẽ truyền tín hiệu về bộ hiển thị, tại đây bộ hiển thị sẽ được cài đặt sẵn chế độ điều khiển bơm, trường hợp nước sạch sau khi qua ống trộn đạt nồng độ Clo dư dưới 0,2 ppm, đồng thời bộ điều khiển sẽ gửi một tín hiệu khởi động đến bơm định lượng để châm thêm dung dịch CloRun. Trường hợp nồng độ Clo trên 0,3 ppm, bơm định lượng sẽ nhận được tín hiệu tự động ngắt.

Hình 2. Bộ cảm biến đo mẫu nước và bộ hiển thị đặt tại trạm bơm Xuân Trường

Với chu trình châm khép kín và tự động hóa hoàn toàn, hệ thống CloRun đảm bảo nước cấp được khử trùng và luôn đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02: 2009/BYT về chất lượng nước sinh hoạt.

Kết quả

Kết quả sau khi lắp đặt hệ thống châm clo bổ sung dạng hạt vào đường ống tại trạm bơm Xuân Trường – Lâm Đồng.

Qua khảo sát tại hiện trường, tiến hành thu thập các thông số đầu vào: Lưu lượng trung bình ngày: 375 m3/ngđ (15,625 L/h); Áp lực nước trên đường ống tại vị trí châm Clo: nước tự chảy, không có áp; Vật liệu Clo đang sử dụng: điện phân muối Clo.

Tiến hành lắp đặt và theo dõi chế độ vận hành của hệ thống CloRun – Xuân Trường đã thu được một số kết quả như sau:

Hình 3. Hệ thống CloRun hoàn chỉnh đặt tại trạm bơm Xuân Trường

Bảng 4. Lượng Clo hạt sử dụng trung bình một ngày

Hình 4. Biểu đồ theo dõi chế độ vận hành của hệ thống CloRun – Xuân Trường

Kết quả từ Hình 4 cho thấy, nồng độ Clo được ghi nhận từng ngày tại thời điểm 12h (đây là thời điểm lấy số liệu theo quy định của Công ty cấp nước Lâm Đồng) trong tháng 3 cho phần lớn thời gian nồng độ Clo đạt yêu cầu quy định trong khoảng 0,3 – 0,5 (mg/l hoặc ppm). Những thời điểm nồng độ Clo < 0,3 ppm là giá trị thu được sau khi đã ngắt bơm châm định lượng Clo một khoảng thời gian, cho tới khi bộ hiển thị nhận được giá trị cảm biến đo nồng độ Clo < 0,2 ppm khi đó bộ điều khiển sẽ kích hoạt lại bơm định lượng clo, tuy nhiên do quá trình này có độ trễ nhất định nên xuất hiện những điểm giá trị < 0,15 ppm (ví dụ: 12h -16/04/2019). Sau đó nồng độ clo sẽ tăng về giá trị 0,3 ppm như đã cài đặt từ trước và quá trình này chỉ tốn từ 30s – 1 phút. Vì vậy những giá trị < 0,15 ppm chỉ là giá trị tức thời và không làm ảnh hưởng đến khả năng khử trùng nước. Bên cạnh đó, có thể thấy ở Hình 9 xuất hiện những ngày không hiển thị nồng độ Clo dư trong nước, nguyên do là trong quá trình vận hành trạm bơm Xuân Trường có một số thời điểm xảy ra mất điện và không có nước cấp, dẫn đến không có số liệu quan trắc.

Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu có thể thấy việc lắp đặt hệ thống châm Clo tại trạm bơm Xuân Trường là hoàn toàn phù hợp, đáp ứng tốt vấn đề an toàn môi trường và điều kiện xây dựng được khảo sát từ trước. Hơn thế nữa mô hình châm Clo dạng hạt cũng đáp ứng được yêu cầu đề ra theo QCVN 02: 2009/BYT về lượng Clo dư trong nước đạt trong khoảng từ 0,3-0,5 (mg/l). Mặt khác, nghiên cứu còn có khả năng áp dụng tại một số điểm dân cư tập trung hoặc các nhà máy xí nghiệp ở những nơi có vị trí khó tiếp cận (khu vực biển đảo, khu dân cư xa thành phố, hộ gia đình miền núi,…).

Tài liệu tham khảo

1. Liu L, et al. Global, regional, and national causes of child mortality in 2000–13, with projections to inform post-2015 priorities: an updated systematic analysis. The Lancet. 2015;385(9966):430–440,

2. World Health Organization/Joint Management Program. [Accessed 17 February 2017];JMP Update Report. 2015

3. World Health Organization. Guidelines for Drinking-Water Quality. Geneva: World Health Organization; 2011.

4. Onda K, LoBuglio J, Bartram J. Global access to safe water: accounting for water quality and the resulting impact on MDG progress. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2012;9(3):880–894.

5. Clasen TF, et al. The Cochrane Database of Systemic Reviews. 2015. Interventions to improve water quality for preventing diarrhoea. Article CD004794.

6. Clasen TF, Bastable A. Faecal contamination of drinking water during collection and household storage: the need to extend protection to the point of use. Journal of Water and Health. 2003;1(3):109–115.

7. Fewtrell L, et al. Water, sanitation, and hygiene interventions to reduce diarrhoea in less developed countries: a systematic review and meta-analysis. The Lancet Infectious Diseases. 2005;5(1):42–52.

8. Agtini MD, et al. The burden of diarrhoea, shigellosis, and cholera in North Jakarta, Indonesia: findings from 24 months surveillance. BMC Infectious Diseases. 2005;5:89.

9. Black RE, et al. Global, regional, and national causes of child mortality in 2008: a systematic analysis. The Lancet. 2010;375(9730):1969–1987.

10. Luby SP, et al. Microbiological contamination of drinking water associated with subsequent child diarrhea. American Journal of Tropical Medicine and Hygiene. 2015;93(5):904–911.

11. Quick RE, et al. Diarrhea prevention through household-level water disinfection and safe storage in Zambia. American Journal of Tropical Medicine and Hygiene. 2002;66(5):584–589.

12. Quick RE, et al. Diarrhoea prevention in Bolivia through point-of-use water treatment and safe storage: a promising new strategy. Epidemiology and Infection. 1999;122(1):83–90,

13. Clasen T, et al. Microbiological effectiveness and cost of disinfecting water by boiling in semi-urban India. American Journal of Tropical Medicine and Hygiene. 2008;79(3):407–413.

14. Brick T, et al. Water contamination in urban south India: household storage practices and their implications for water safety and enteric infections. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 2004;207(5):473–480,

15. Wright J, Gundry S, Conroy R. Household drinking water in developing countries: a systematic review of microbiological contamination between source and point-of-use. Tropical Medicine & International Health. 2004;9(1):106–117.

16. Sodha SV, et al. Microbiologic effectiveness of boiling and safe water storage in South Sulawesi, Indonesia. Journal of Water and Health. 2011;9(3):577–585.

17. Disinfection Session Objectives - World Health Organization.

18. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt - QCVN 02: 2009/BYT.

19.  https://www.researchgate.net/figure/Relative-proportions-of-HOCl-and-OCl-in-the-pH-range-between-5-and-12-at-20-C-based-on_fig1_228512566.

TS. VÕ ANH TUẤN

Trường Đại học Kiến trúc TP. Hồ Chí Minh