Trong quá trình phát triển kinh tế - xã, hội con ngƣời đã đƣa chất thải của mình vào môi trƣờng. Chất thải từ hoạt động các khu công nghiệp, từ hoạt động nông nghiệp nhƣ thuốc bảo vệ thực vật, phân bón, từ chiến tranh nhƣ đioxin… và còn nhiều con đƣờng khác đã biến môi trƣờng trở thành nơi chứa chất thải của con ngƣời. Bằng cách gián tiếp hay trực tiếp các chất thải ô nhiễm đã đi vào môi trƣờng nƣớc. Gây biến đổi thành phần và tính chất của môi trƣờng nƣớc, làm thay đổi mục đích sử dụng nƣớc của con ngƣời, nếu sự thay đổi lớn có thể dẫn đến ô nhiễm nguồn nƣớc. Sự thay đó ảnh
hƣởng đến cuộc sống của con ngƣời và quá trình phát triển kinh tế-xã hội của con ngƣời. Để khắc phục những sự cố của môi trƣờng nƣớc và đáp ứng lƣợng nƣớc sạch cho con ngƣời sinh hoạt và phát triển bình thƣờng ngƣời ta đã cho ra đời ngành xử lý nƣớc và cấp nƣớc.
1.5.1. Xử lý nước cấp
1.5.1.1. Khái niệm
Nước cấp : Nƣớc cấp là nƣớc sau khi đƣợc xử lý tại cơ sở xử lý nƣớc đi qua các trạm cung cấp nƣớc và từ các trạm nƣớc sẽ cung cấp cho ngƣời tiêu dùng.
Nguồn nƣớc thì vô cùng phong phú và dồi dào nhƣng nguồn nƣớc phục vụ đƣợc cho nhu cầu sử dụng của con ngƣời thì hạn chế. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng của con ngƣời thì cần sử lý trƣớc khi đƣa vào hệ thống sử dụng. Đối với những vùng có nồng độ các chất ô nhiễm thì sẽ đƣợc xử lý đơn giản nhƣ chỉ qua bể lọc để đƣa đến cho những vùng bị nhiễm phèn hay nhiễm mặn. Nƣớc cấp đơn giản này thƣờng đƣợc áp dụng cho những miền nông thôn. Đối với những vùng có nồng độ các chất ô nhiễm cao và phức tạp thì trƣớc khi đƣa vào sử dụng, nƣớc thô cần đƣợc xử lý qua nhiều công đoạn.
Xử lý nƣớc cấp là quá trình áp dụng các biện pháp cơ học, sinh học, hóa học để loại bỏ các tạp chất ô nhiễm có trong môi trƣờng nƣớc, làm cho nƣớc thô ban đầu đáp ứng chỉ tiêu nƣớc cấp, phục vụ cho con ngƣời.
1.5.1.2. Vai trò của nước cấp
Trong quá trình phát triển công nghiệp thì mức độ quan trọng của nƣớc cấp ngày càng gia tăng. Chính vì lẽ đó mà ý nghĩa của ngành nƣớc cấp vô cùng to lớn. Với cuộc sống và nền kinh tế ngày càng phát triển, lƣợng phát thải ra môi trƣờng và mức độ độc hại ngày càng tăng làm suy giảm chất lƣợng nguồn nƣớc. Lƣợng phát thải từ hoạt động kinh tế, chính trị, sinh hoạt đã phát thải lƣợng chất thải độc hại ảnh hƣởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến môi trƣờng nƣớc mặt, nƣớc ngầm và cả nƣớc biển. Mức độ tự làm sạch của môi trƣờng không thể đáp ứng chất lƣợng nƣớc dùng để sinh hoạt cũng nhƣ sản xuất, vì vậy nƣớc cấp là một trong những nhu cầu chính yếu của con ngƣời. Xây
dựng những chƣơng trình xử lý nƣớc cấp và quản lý nƣớc cấp là một trong những vấn đề tất yếu của một xã hội phát triển.
1.5.1.3. Mục đích của xử lý nước cấp
- Cung cấp số lƣợng nƣớc đầy đủ và an toàn về mặt hóa học, vi trùng học để thỏa mãn nhu cầu về ăn uống, sinh hoạt, dịch vụ, sản xuất công nghiệp và phục vụ sinh hoạt công cộng của các đối tƣợng dùng nƣớc.
- Cung cấp nƣớc có chất lƣợng tốt, ngon, không chứa các chất gây vẩn đục, gây ra màu, mùi, vị của nƣớc.
- Cung cấp nƣớc có đủ thành phần khoáng chất cần thiết cho việc bảo vệ sức khỏe ngƣời tiêu dùng.
- Chất lƣợng nƣớc sau xử lý đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh đối với chất lƣợng nƣớc cấp cho sinh hoạt.
1.5.1.4. Các biện pháp xử lý cơ bản
Trong quá trình xử lý nƣớc cấp cần phải áp dụng các biện pháp xử lý sau:
- Biện pháp cơ học: là các biện pháp dùng các công trình và thiết bị làm sạch nƣớc nhƣ: song chắn rác, lƣới chắn rác, bể lắng, bể lọc.
- Biện pháp hóa học: là biện pháp dùng các hóa chất cho vào nƣớc để xử lý nƣớc nhƣ: dùng phèn nhôm làm chất keo tụ, dùng vôi để kiềm hóa nƣớc, cho Clo vào nƣớc khử trùng.
- Biện pháp lý học: là biện pháp dùng các tia vật lý để khử trùng nƣớc nhƣ: tia tử ngoại, sóng siêu âm, điện phân nƣớc biển để khử muối, khử khí CO2 hòa tan trong nƣớc…
1.5.2. Các loại nguồn nước dùng cho nước cấp
1.5.2.1. Nguồn nước mặt
Nƣớc mặt dùng để chỉ các loại nƣớc lƣu thông hoặc chứa trên bề mặt lục địa, mặt nƣớc tiếp xúc với không khí: nƣớc sông, nƣớc suối, ao, hồ…
Thành phần của nƣớc mặt phụ thuộc vào tính chất đất đai nơi mà dòng nƣớc chảy qua đến các thủy vực, chất lƣợng nƣớc còn chịu ảnh hƣởng bởi các quá trình tự nhiên
nhƣ mƣa bão, thủy triều hay ngập mặn… trên một con sông chất lƣợng nƣớc mặt thay đổi theo thời gian và không gian. Nguồn nƣớc mặt là một trong những nguồn nƣớc có ý nghĩa quan trọng nhất trong ngành xử lý nƣớc cấp. Tại khu vực có mạng lƣới sông ngoài, ao hồ dày đặc thì sẽ có nguồn tài nguyên nƣớc dồi dào, ngành nƣớc cấp sẽ có trữ lƣợng nƣớc thô phong phú.
1.5.2.2. Nguồn nước ngầm
Là nguồn nƣớc đƣợc khai thác từ các tầng chứa nằm dƣới đất. Chất lƣợng nƣớc ngầm phụ thuộc vào cấu trúc địa tầng mà nƣớc thấm qua. Nƣớc ngầm có các đặc trƣng: độ đục thấp, nhiệt độ và thành phần hóa học ổn định, nƣớc thiếu O2 nhƣng chứa nhiều khí H2S, CO2,…chứa nhiều chất khoáng hòa tan, đặc biệt là sắt, Mangan, flouor. Nƣớc ngầm là nguồn nƣớc cấp xử lý đơn giản nhất để đƣa vào mục đích sử dụng. Nƣớc ngầm là nguồn nƣớc cấp chính cho khu vực trung du miền núi.
1.5.2.3. Nguồn nước mưa
Là nguồn nƣớc đƣợc hình thành do quá trình tự nhiên nhƣ: bay hơi, gió bão, tạo thành mƣa rơi xuống mặt đất có một phạm vi nhất định. Đặc trƣng của nguồn nƣớc: có chất lƣợng tốt, bão hòa CO2. Tuy nhiên nƣớc mƣa hòa tan những chất hữu cơ và vô cơ trong không khí trong không khí và bề mặt trái đất, đồng thời lƣu lƣợng không ổn định nên ít đƣợc sử dụng và chỉ sử dụng trong một số nơi có khó khăn về nƣớc.
1.5.2.4. Lựa chọn nguồn nước cấp
Có nhiều nguồn nƣớc để phục vụ cho công tác xử lý nƣớc cấp. Việc lựa chọn nguồn nƣớc thích hợp có ý nghĩa lớn cho hoạt động cấp nƣớc.
Việc lựa chọn nguồn nƣớc phụ thuộc các điều kiện sau:
- Phải đảm bảo yêu cầu về lƣu lƣợng cho trƣớc mắt và lâu dài về sau
- Chất lƣợng nƣớc phải đáp ứng nhu cầu vệ sinh theo TCXD 33-68, ƣu tiên sử dụng nguồn nƣớc dễ xử lý và ít sử dụng hóa chất.
- Ƣu tiên chọn nguồn nƣớc và công trình thu nƣớc gần nơi tiêu thụ, có sẵn thế năng để tiết kiệm năng lƣợng, có địa chất phù hợp với yêu cầu xây dựng, có điều kiện bảo vệ nguồn nƣớc.
- Không làm thay đổi chế độ dòng chảy của các nguồn - Kết hợp với các mục tiêu khác nhƣ quốc phòng, thủy lợi
- Ƣu tiên chọn nguồn nƣớc ngầm nếu lƣu lƣợng đáp ứng yêu cầu sử dụng vì nƣớc ngầm trong khai thác, quản lý sẽ thuận lợi và dễ dàng hơn.
1.6. Tìm hiểu về công nghệ nƣớc cấp trên thế giới và ở Việt Nam [3,4,7,8]
1.6.1. Công nghệ cấp nước trên thế giới
Các nền văn minh cổ đại đƣợc thành lập xung quanh nguồn nƣớc. Trong khi tầm quan trọng của nƣớc là rất lớn, song con ngƣời ta chƣa biết cách giữ gìn nguồn nƣớc. Họ dùng nƣớc và xả thải nƣớc nhƣ một hoạt động tất yếu của cuộc sống. Dần già, nguồn nƣớc bắt đầu xuất hiện một số hiện tƣợng lạ nhƣ nƣớc bị vẩn đục hay có mùi, không còn thơm ngon nhƣ trƣớc. Liên quan đến nƣớc uống, phải mất hàng ngàn năm để mọi ngƣời nhận ra rằng cảm giác của họ một mình không phải là giám khảo chính xác chất lƣợng nƣớc.
Xử lý nƣớc ban đầu tập trung vào việc nâng cao chất lƣợng thẩm mỹ của nƣớc uống. Phƣơng pháp để cải thiện hƣơng vị và mùi của nƣớc uống đã đƣợc ghi lại sớm nhất là 4000 TCN Cổ đại Phạn và tiếng Hy Lạp tác phẩm đƣợc đề nghị phƣơng pháp xử lý nƣớc nhƣ lọc qua than củi, phơi bày để ánh sáng mặt trời, đun sôi.
Vẩn đục nhìn thấy đƣợc (sau này gọi là độ đục) là động lực đằng sau các phƣơng pháp xử lý nƣớc sớm nhất. Nhƣ nhiều nguồn nƣớc chứa các hạt có một hƣơng vị bị phản đối. Để làm rõ nƣớc, Ai Cập báo cáo sử dụng hóa chất phèn vào đầu năm 1500 TCN gây ra các hạt lơ lửng để giải quyết nƣớc vẩn đục.
Hệ thống nƣớc cấp bắt nguồn từ La Mã vào năm 800 TCN. Điển hình là công trình dẫn nƣớc vào thành phố bằng kênh tự chảy, trong thành phố nƣớc đƣa đến các bể tập trung, từ đó theo các đƣờng ống dẫn đến các nhà quyền quý và bể chứa công cộng cho ngƣời sử dụng.
Khoảng năm 300 TCN, loài ngƣời đã biết khai thác nƣớc ngầm bằng phƣơng pháp đào giếng. Ngƣời Babilon biết cách nâng nƣớc lên độ cao khá lớn nhờ vào ròng rọc và guồng nƣớc.
Thế kỷ XIII các thành phố ở châu Âu đã có hệ thống cấp nƣớc. Thời đó chƣa có các loại hóa chất phục vụ cho việc keo tụ xử lý nƣớc mặt ngƣời ta phải xây dựng các bể chứa có kích thƣớc lớn mới lắng đƣợc các hạt cặn bé. Do đó công trình thƣờng rất cồng kềnh, chiếm diện tích và kinh phí xây dựng lớn.
Thế kỉ XIII, các thành phố Đông Âu có hệ thông nƣớc cấp. Thời đó chƣa có hệ thống hóa chất phục vụ cho việc xử lý nƣớc, ngƣời ta xây các bể có kích thƣớc lớn mới để lắng đƣợc các cặn bé. Công trình cấp nƣớc chiếm diện tích và kinh phí xây dựng. Đến năm 1600 việc dùng phèn nhôm để keo tụ nƣớc đƣợc nhà truyền giáo Tây Ban Nha phổ biến tại Trung Quốc.
Trong những năm 1700, lọc đã đƣợc thành lập nhƣ là một phƣơng tiện hiệu quả loại bỏ các hạt có trong nƣớc, mặc dù mức độ chất lƣợng không thể đo đƣợc vào thời gian đó. Vào đầu những năm 1800, lọc cát chậm đã bắt đầu đƣợc sử dụng thƣờng xuyên ở châu Âu.
Trong nửa cuối năm 1800, các nhà khoa học đã đạt đƣợc một sự hiểu biết nhiều hơn về các nguồn và các nguyên nhân các chất gây ô nhiễm nƣớc uống, đặc biệt là những tạp chất không thể nhìn thấy bằng mắt thƣờng. Trong năm 1855, Tiến sĩ John Snow đã chứng minh rằng bệnh tả là một bệnh đƣờng nƣớc bằng cách kết nối một ổ dịch bệnh ở London để giếng công cộng đã đƣợc bị ô nhiễm bởi nƣớc thải. Vào cuối những năm 1880, Louis Pasteur chứng minh "lý thuyết về mầm" của bệnh, trong đó giải thích nhƣ thế nào vi sinh vật (vi khuẩn) có thể truyền bệnh thông qua phƣơng tiện trung gian nhƣ nƣớc. Trong thế kỷ XX cuối XIX và đầu, những lo ngại liên quan đến nƣớc uống chất lƣợng tiếp tục tập trung chủ yếu vào các vi khuẩn gây bệnh (mầm bệnh) trong nguồn cung cấp nƣớc công cộng. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng độ đục không chỉ là một vấn đề thẩm mỹ; hạt trong nƣớc nguồn, chẳng hạn nhƣ phân, có thể chứa mầm bệnh. Kết quả là các thiết kế của hầu hết các hệ thống xử lý nƣớc uống xây dựng tại Mỹ đầu những năm 1900 đã đƣợc thúc đẩy bởi nhu cầu giảm độ đục, do đó loại bỏ chất gây ô nhiễm vi sinh vật đó đã gây ra dịch bệnh thƣơng hàn, kiết lỵ, dịch tả. Để giảm độ đục, một số hệ thống nƣớc ở các thành phố của Mỹ (nhƣ Philadelphia)
đã bắt đầu sử dụng lọc cát chậm. Trong khi lọc là một phƣơng pháp điều trị khá hiệu quả trong việc giảm độ đục, đó là chất khử trùng nhƣ Clorua đóng vai trò lớn nhất trong việc giảm số lƣợng các dịch bệnh đƣờng nƣớc trong đầu những năm 1900. Năm 1908, Clo đƣợc sử dụng lần đầu tiên nhƣ là một chất khử trùng tiểu học của nƣớc uống trong Jersey City, New Jersey. Việc sử dụng các chất khử trùng khác nhƣ ozone cũng bắt đầu ở châu Âu khoảng này thời gian, nhƣng không đƣợc sử dụng tại Mỹ cho đến
vài chục năm sau. Dần dần, lọc và khử trùng bằng clo vẫn là kỹ thuật xử lý có hiệu quả
để bảo vệ nguồn nƣớc cung cấp cho nƣớc Mỹ. Trong những năm 1970 và 1980, cải tiến đã đƣợc thực hiện trong sự phát triển màng ngƣợc lọc thẩm thấu và kỹ thuật điều trị khác nhƣ ozon hóa.
Trong thế kỷ XX, kỹ thuật cấp nƣớc ngày càng đạt tới trình độ cao và còn tiếp tục phát triển, các loại thiết bị cấp nƣớc ngày càng đa dạng phong phú và hoàn thiện. Lƣợng nƣớc cấp không những cấp cho những khu vực cấp cao mà phát triển lên cho toàn bộ khu vực.
Kỹ thuật điện tử và tự động hóa cũng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý cũng nhƣ cấp nƣớc, quản lý, vận hành,…phục vụ cho cuộc sống và phát triển kinh tế-xã hội của con ngƣời.
Ngày này, nƣớc cấp có hầu hết các quốc gia trên thế giới. Đặc biệt, các đô thị càng lớn thì các công trình xử lý nƣớc cấp càng hiện đại và chất lƣợng nƣớc càng cao. Điển hình nhƣ: Thụy Sỹ, Hà Lan, Mỹ...
1.6.2. Công nghệ cấp nước tại Việt Nam
1.6.2.1. Tình hình cấp nước thực tế tại Việt Nam
Ở Việt Nam, hệ thống cấp nƣớc đô thị đƣợc bắt đầu bằng khoan giếng mạch nông nhƣ Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh vào năm 1894. Nhiều đô thị khác nhƣ Hải Phòng, Đà Nẵng… hệ thống cấp nƣớc đã xuất hiện, khai thác cả nƣớc mặt cũng nhƣ nƣớc ngầm. Hiện nay, hầu hết các khu đô thị đã có hệ thống cấp nƣớc, nhiều trạm cấp nƣớc đã áp dụng công nghệ tiên tiến của các nƣớc phát triển nhƣ Pháp, Phần Lan, Australia… Những trạm cấp nƣớc của các thành phố lớn đã áp dụng công nghệ tiên
tiến, tự động hóa cao. Hiện nay nhà nƣớc rất quan tâm đến lỉnh vƣc cấp nƣớc cho đô thi và đã ban hành nhiều văn bản pháp quy để định hƣớng, điều chỉnh các quan hệ trong lỉnh vực cấp nƣớc. Điển hình nhƣ “Định hƣớng phát triển cấp nƣơc đô thị đến năm 2020 (quyết định số 63/1998/QĐ-TTg ngày 18 tháng 3 năm 1998 của thủ tƣớng chính phủ) trong đó xác định mục tiêu chủ yếu cho ngành cấp nƣớc đo thị từ nay cho đến năm 2020.
Đảng và Nhà nƣớc ta luôn quan tâm đến vấn đề cấp nƣớc cho nông thôn, đòi hỏi các chuyên gia trong lĩnh vực cấp nƣớc cần phải đóng góp sức mình và sang tạo để đáp ứng nhu cầu thực tế.
Hiện nay ở đô thị sử dụng nƣớc mặt và nƣớc ngầm. Ngoài ra, một số hộ vùng ven đô và nông thôn có sử dụng cả nƣớc mƣa. Trong toàn quốc, tỷ lệ ngƣời sử dụng nƣớc mặt chiếm 60%, nƣớc ngầm chiếm 40%. Ở các thành phố lớn, các nhà máy nƣớc (NMN) có công suất khoảng từ vài chục m3 /ngày.đêm tới vài trăm ngàn m3/ngày.đêm. Tiêu biểu nhƣ: NMN Thủ Đức (TP HCM) có tổng công suất 1.200.000 m3 /ngày.đêm, các NMN xử lý nƣớc ngầm ở Hà Nội có công suất từ 30.000 – 60.000 m3 /ngày.đêm (thƣờng chia thành đơn nguyên 30.000 m3 /ngày.đêm, xây dựng thành từng đợt, NMN Sông Đà 600.00 m3 /ngày.đêm, giai đoạn 1 xây dựng 1 đơn nguyên 300.000 m3 /ngày.đêm đã hoạt động). Tại các thành phố, thị xã trực thuộc tỉnh, các nhà máy nƣớc có công suất phổ biến từ 10.000 m3 /ngày đêm đến 30.000 m3 /ngày đêm. Các trạm thu nƣớc ở thị trấn thƣờng có công suất từ 1000 m3 /ngày đêm tới 5.000 m3 /ngày đêm, phổ biến nhất xung quanh 2.000 m3 /ngày đêm.
1.6.2.2. Công nghệ nước cấp tại Việt Nam
Công nghệ và công trình xử lý nước mặt phổ biến ở nước ta:
Keo tụ + lắng + lọc nhanh trọng lực + khử trùng