1.3.3.1. Phương pháp lắng nước
Lắng nước là giai đoạn đầu của quá trình làm trong nước. Mục đích của làm lắng nước là tách các chất rắn không hòa tan trong nước hay còn gọi là huyền phù ra khỏi nước. Có hai phương pháp làm lắng nước:
- Làm lắng tự nhiên
Lắng tự nhiên là để các hạt cặn trong nước lắng dần theo tỷ trọng của chúng. Vì thế, những hạt cặn có tỷ trọng lớn sẽ lắng nhanh hơn. Phương pháp này đơn giản, dễ làm nhưng hiệu quả không cao và mất nhiều thời gian.
- Làm lắng nhân tạo
Phương pháp này là sử dụng hóa chất để làm giảm thời gian lắng của cặn trong nước. Bản chất của cặn trong nước là mang điện tích âm nên chúng xô đẩy nhau không ngừng. Hóa chất làm lắng mang điện dương nên khi cho vào nước, chúng sẽ kết hợp với cặn tạo thành hỗn dịch và lắng nhanh hơn.
+ Hệ keo ngược dấu
Hóa chất thường được sử dụng là phèn nhôm. Các phèn nhôm dễ bị thủy phân tạo kết tủa nhôm Hydroxit nhầy và làm trong nước. Phèn nhôm thường được sử dụng dưới dạng phèn kép như phèn nhôm amoni (NH4.Al-
2(SO4)2.12 H2O). Khi hòa tan phèn nhôm trong nước sẽ xảy ra các phản ứng: NH4.Al2(SO4)2.12 H2O = NH4+ + Al3+ + 2SO42- + 12H2O
Al3+ + 2H2O = Al(OH)2+ + H3O+ Al(OH)2+ + 2H2O = Al(OH)2+ + H3O+ Al(OH)2+ + 2H2O = Al(OH)3↓+ H3O+
Kết tủa tạo thành dưới dạng keo nhày sinh ra ở mọi nơi trong dung dịch kéo theo các chất bụi lơ lửng trong nước chìm xuống đáy.
Như vậy, qua một loạt các phản ứng thủy phân, phèn nhôm có thể làm trong nước.
+ Polialuminium chloride (PAC) [77]
PAC là sản phẩm thông dụng trong họ polyme. PAC được sản xuất từ quá trình thủy phân ALCl3, vôi sô đa, natri bicacbonat và có thể thêm Sulfat.
Tính keo tụ của PAC hơn hẳn so với phèn nhôm và ít làm giảm pH của nước trước và sau keo tụ.
Công thức chung là [AlClx(OH)3-x]n với x = 1-2 Ala(OH)b(SO4)c Cl3a-b-2c. Các sản phẩm tạo ra có phân tử lượng từ 7000- 35000 và độ dài từ 35- 250 A0 (1 A0 = 10-10m).
1.3.3.2. Lọc nước [50], [56]
Lọc nước là quá trình loại bỏ chất rắn và các vi sinh vật ra khỏi nước.
- Vật liệu lọc
Vật liệu lọc có vai trò quan trọng, ảnh hưởng tới quá trình lọc. Các thông số cần quan tâm là kích thước, hình dạng, độ xốp tầng lọc, khối lượng riêng và độ bền cơ học. Hạt lọc không có kích thước nhất định và dao động từ
khoảng 0,5- 1,0mm. Khoảng cách giữa các hạt càng nhỏ thì độ đồng đều càng cao. Nếu dùng tầng lọc hỗn hợp gồm 2 hay nhiều vật liệu lọc khác nhau, người ta thường bố trí hạt thô nhẹ ở phía trên và hạt nhỏ nặng ở phía dưới.
+ Lọc chậm
Nguyên lý của bể lọc chậm là lọc nước qua màng vi sinh vật và các hạt cát nhỏ. Quá trình này xảy ra rất chậm với tốc độ khoảng 10cm/giờ với kích thước hiệu dụng hạt lọc nhỏ từ 0,15- 0,40 mm và hệ số đồng đều khoảng 2. Tuy nhiên, tốc độ lọc còn phụ thuộc vào chất lượng nước.
Khi bắt đầu hệ thống lọc chậm, các vi sinh vật bao quanh hạt cát, đặc biệt là lớp lọc trên cùng tạo thành màng vi sinh vật. Quần thể vi sinh vật tạo thành màng dày tới vài cm bao gồm vi khuẩn, nguyên sinh động vật có lông tự do, amip, giáp xác, ấu trùng của động vật không xương sống. Các vi khuẩn hiếu khí là thành phần chủ yếu của màng chỉ áp lên bề mặt của bể lọc. Trong quá trình lọc, các vi khuẩn, virut, ký sinh trùng ở giai đoạn không hoạt động bị tiêu diệt bởi sự hấp phụ và cạnh trạnh, các vi sinh vật trên bề mặt sẽ oxy hóa các chất hữu cơ thành các chất vô cơ, cặn và được giữ lại trong các lớp lọc. Trong trường hợp bể vận hành đúng, các lớp lọc đảm bảo đúng quy trình sẽ đem lại hiệu quả lọc khá tốt: các vi sinh vật giảm 98- 99,5%; E. coli giảm hàng nghìn lần; hàm lượng các chất hữu cơ và cặn cũng giảm nhiều. Sau vài tháng, lớp lọc bị bít tắc phải thay rửa bể lọc. Điều đó làm cho màng sinh vật bị phá vỡ và sau 2- 3 ngày sử dụng, váng sinh vật mới được hình thành.
Bể lọc chậm hở nên các loại rong tảo có thể phát triển và làm tăng tác dụng loại bỏ vi khuẩn và các chất hữu cơ trong nước.
Với tốc độ lọc chậm nên phương pháp này chỉ áp dụng cho nguồn nước trong và tự lắng, không sử dụng cho nguồn nước đục hoặc đã lắng bằng phèn.
+ Lọc nhanh
Phương pháp này thích hợp với các loại nước đã qua xử lý keo tụ hoặc nước ngầm đã qua giai đoạn oxy hóa sắt và mangan.
- Ứng dụng
Khoảng 1,1 tỷ người trong cộng đồng nông thôn và ven đô các nước đang phát triển không được tiếp cận với nước uống an toàn. Bệnh tiêu chảy liên quan đến khoảng 2,2 triệu người mỗi năm từ việc tiêu thụ nước. Bằng chứng thuyết phục là bể lọc cát sinh học với vật liệu sẵn có, chi phí thấp có khả năng cải thiện đáng kể chất lượng vi sinh trong nước uống [100].
Kích thước hạt cát là yếu tố quan trọng đối với hiệu quả lọc khi đánh giá hiệu quả loại bỏ vi khuẩn coliform, vi rút MS2 và độđục khi tiến hành thử nghiệm với hạt cát đường kính 0,17 và 0,52 mm và áp lực nước 10, 20, và 30 cm trong các bộ lọc cát chậm liên tục. Qua nghiên cứu, tác giả nhận thấy, một lớp cát sông có hiệu quả lọc tương ứng với 2 lớp cát nghiền nát. Sử dụng cát mịn, hoạt động liên tục, tốc độ lọc 0,01- 0,03 m/h đã loại bỏ 98,5% vi khuẩn và 88,5% virus và 89,0% độđục trong nước [88].
Đo lường hiệu quả của lọc cát chậm giảm tiêu chảy trên trẻ em các hộ gia đình sử dụng nguồn nước chưa được cải thiện ở nông thôn Kenya, tác giả đã cung cấp cho 30 hộ gia đình bể bê tông lọc cát sinh học và hướng dẫn sử dụng cũng như bảo trì trong 6 tháng. Kết quả, chất lượng nước uống tốt hơn so với các hộ gia đình không sử dụng phương pháp này; số ngày tiêu chảy ở trẻ em ≤ 15 tuổi trong nhóm can thiệp cũng thấp hơn đáng kể với 86 ngày/626 trẻ/tuần so với nhóm chứng là 203 ngày/558 trẻ/tuần [129].
1.3.3.3. Phương pháp khử khuẩn nước
Khử khuẩn nước có thể dùng phương pháp lý học, hóa học hoặc lý hóa mục đích loại bỏ các vi sinh vật có thể gây hại cho sức khỏe của con người.
- Phương pháp lý học: khử khuẩn bằng phương pháp lý học đơn giản, dễ làm và có thể khử khuẩn ngay tức khắc. Đây là phương pháp không gây độc hại
cho người sử dụng do không thừa các chất khử khuẩn ở trong nước sau khi xử lý cũng như không làm thay đổi mùi vị của nước.
+ Phương pháp dùng nhiệt độ
Dùng nhiệt độ là phương pháp lý học đơn giản nhất để khử khuẩn nước và được áp dụng rộng rãi. Nước sôi ở nhiệt độ 1000C là đủ tiêu diệt hầu hết các loại vi sinh vật. Riêng vi khuẩn sinh nha bào phải đun sôi trong 2 giờ hoặc đun dưới áp suất cao để nhiệt độ lên từ 110- 1200C. Nhiệt độ còn có khả năng phân hủy một sốđộc chất và độc tố không chịu nhiệt của vi khuẩn.
Kết quả nghiên cứu của Đinh Thị Thanh Mai năm 2012 cho thấy, có tới 98- 99% trứng giun đũa bị tiêu diệt ở nhiệt độ 60 và 700C. Ở nhiệt độ 900C trở lên, trứng giun đũa bị tiêu diệt hoàn toàn [33].
Theo số liệu của Bộ môn Ký sinh trùng trường Đại học Y Hà Nội (2012), trứng giun đũa bị hủy hoại ở nhiệt độ trên 600C, trứng giun tóc và ấu trùng giun móc bị tiêu diệt ở nhiệt độ trên 500C. Bào nang E. histolytica chỉ tồn tại được vài phút ở nhiệt độ 550 C và chết ngay ở nhiệt độ 800C [4].
Trứng giun đũa A.suum ủ ở 200C, 500C và 700C trong ống nghiệm. Tác giả ghi nhận trứng không thay đổi hình thái ở 200C trong 10 ngày. Ngược lại, những quả trứng phát triển nhanh chóng và có phôi nhưng ấu trùng bắt đầu chết vào ngày thứ 2 ở 500C và ngày thức nhất ở nhiệt độ 70 0C sau khi được hình thành. Như vậy, nhiệt gia tăng có liên quan với sự phát triển nhanh chóng nhưng cũng giảm khả năng tồn tại của trứng A.suum [142].
Cryptosporidium parvum đã được tìm thấy trên bề mặt của cả nước phát triển và đang phát triển. C. parvum rất nhạy cảm với nhiệt khi có tới 93% kén hợp tử bị bất hoạt dưới tác động của nhiệt độ lò vi sóng [76].
+ Phương pháp dùng tia cực tím
Phương pháp sử dụng tia cực tím (UV) làm thay đổi các axit Nucleic của sinh vật theo chiều hướng bất lợi.
Nhiều nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng Cryptosporidium hoàn toàn nhạy cảm với tia UV [123]. UV được chia làm 3 vùng:
UV- A: bước sóng 315- 400 nm. UV- B: bước sóng 280- 315 nm. UV- C: bước sóng 200- 280nm.
Vùng ánh sáng có tác dụng diệt khuẩn cao nhất là vùng C với bước sóng 200- 280 nm. Ở vùng ánh sáng này, UV được DNA của tế bào hấp thụ mạnh nhất dẫn đến hậu quả gây biến đổi và phân hủy tế bào.
Tuy vậy, vi sinh vật có thể hồi sinh nhờ các enzym đặc thù làm nước có thể nhiễm khuẩn trở lại. Vì thế, khi ứng dụng khử khuẩn những nguồn nước được dự trữ lâu ngày hoặc dẫn qua những đường ống dài cần phải có giai đoạn khử khuẩn bổ sung.
Công nghệ khử trùng tia cực tím là mối quan tâm ngày càng tăng trong ngành công nghiệp nước vì đã được chứng minh là rất hiệu quả để chống lại bào nang Cryptosporidium và Giardia, hai loại đơn bào có tầm quan trọng lớn đối với sự an toàn của nước uống.
Kết quả nghiên cứu của Hijnen W. A. và cộng sự (2006) cho thấy tia UV có hiệu quả với tất cả các tác nhân gây bệnh qua đường nước. Tuy nhiên, thể hoạt động của Acanthamoeba có khả năng chống lại tia cực tím cao. Vi khuẩn, bào nang của Cryptosporidium và Giardia là nhạy cảm hơn với UV ở liều lượng < 20 mJ/ cm2 [82].
Trong một nghiên cứu tiến hành năm 2009, Mun S.và cộng sự đã sử dụng tia UV với liều 10800 mJ cm-2 trong thời gian 60 phút đã bất hoạt được khoảng 0,32- 0,01 log trứng giun đũa trong đất. Khi sử dụng liều 5000 mJ cm-2, 2 log trứng giun đũa trong nước bị bất hoạt. Rõ ràng, liều UV tiêu diệt trứng giun đũa trong đất cao hơn nhiều so với liều dùng để tiêu diệt trứng giun đũa
trong nước và nguyên nhân có thể do trong đất có nhiều chất hữu cơ ngăn cản tác dụng của UV [108].
UV gần đây được công nhận có khả năng chống lại bào nang C. parvum, G. lamblia trong nước ở pH 7,3 và nhiệt độ phòng với bước sóng 254 nm và chiếu tia cực tím từ đèn hơi thủy ngân áp suất thấp [102].
Nghiên cứu của Wainwright K.E. và cộng sự (2007) cho thấy UV hoàn toàn có thể bất hoạt bào nang Toxoplasma khi sử dụng ở liều 1000 mJ/cm2. Tác giả cũng cho thấy rằng nếu kết hợp UV với hóa chất diệt khuẩn còn có thể loại bỏ được các chất cặn bã trong nước [135].
+ Phương pháp dùng năng lượng mặt trời (SODIS)
Phương pháp SODIS là phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời với sự kết hợp giữa nhiệt độ và tia cực tím từ ánh sáng mặt trời.
Đến năm 2008, phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời đã được trên 33 quốc gia với hơn 2 triệu người sử dụng. Khi sử dụng phương pháp này, tỷ lệ bệnh tiêu chảy giảm 16 - 57% [105].
Kết quả của 20% các mẫu nước uống để trong điều kiện thời tiết nắng to cho thấy, năng lượng mặt trời hoàn toàn có khả năng diệt khuẩn [109]. Bào nang C. parvum với thời gian tiếp xúc từ 10 giờ trở lên, tổng liều chiếu quang 30 kJ và bào nang Giardia muris tiếp xúc trong 4 giờ với tổng liều > 12 kJ không còn khả năng lây nhiễm [104]. Khi sử dụng ánh sáng mặt trời với liều lượng 830Wm (-2) ở nhiệt độ 400C sau 6 giờ đã làm giảm lượng bào nang Cryptosporidium từ 100% xuống còn 7,5% và sau 12 giờ xuống còn 0% [106].
Trong nghiên cứu của Gomez-Couso H. (2009), tác giả dùng chai nhựa polyethylene terephthalate dung tích 1,5lít chứa nước đã được cho thêm đất đỏ với nước cất để đạt độ đục 5; 100 và 300 đơn vị và cho nhiễm bào nang C.
parvumđặt dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên ở sa mạc Tabernas miền Nam Tây Ban Nha vào tháng 7 và tháng 10 năm 2007 với các mốc thời gian 4, 8 và 12 giờ. Kết quả, sau 12 giờ tiếp xúc, tỷ lệ bào nang còn 11,54 %, 25,96 %, 41,50 % và 52,80 % tương ứng với độ đục 0, 5, 100 và 300 đơn vị. Như vậy, SODIS làm giảm đáng kể khả năng phát triển của bào nang C. parvum [80].
- Khử khuẩn bằng phương pháp hóa học + Khử khuẩn bằng Ozone
Ozone là chất khí có mùi hôi, màu xanh da trời và công thức là O3. Trong tự nhiên, ozone bao phủ một tầng dày ởđộ cao 25 km quanh trái đất. Là chất sát khuẩn tuyệt vời, ozone được sử dụng để bất hoạt các loại đơn bào- những sinh vật có sức chịu đựng cao với các chất sát khuẩn thông thường [134].
Ozone với liều 1ppm (1mg/l nước) trong 5 phút bất hoạt trên 90% bào nang đơn bào. Thực nghiệm trên chuột với liều tương tự, ít nhất 90% bào nang bị bất hoạt trong 3 phút, 90- 99% bào nang bị bất hoạt trong 5 phút và trong 10 phút có tới 99- 99,9% bào nang bị bất hoạt. Như vậy, trong thời gian từ 5- 10 phút, ozone có khả năng bất hoạt 90- 99% bào nang [98].
Ozone nồng độ 1,11 mg/lít trong 6 phút có thể loại bỏ hoàn toàn C. parvum khi nước có mật độ 10 bào nang/ml. Sử dụng ozone với nồng độ 2,27mg/lít nước đủ để tiêu diệt 5 × 105 bào nang trong 8 phút [116].
Ozone với liều 5,8± 0,7 mg L-1 trong thời gian 30 phút bất hoạt được 0,13 log trứng giun đũa trong đất và 0,22 log trứng giun trong nước [108].
Theo Hiệp hội vì sự tiến bộ của công nghệ y học thì ozone là phương pháp hiệu quả nhất để phá hủy, ngăn cản, giảm thiểu và tiêu diệt các vi sinh vật, loại bỏ độc tố của chúng. Mặc dù vậy, là một chất oxi hóa mạnh nên
ozone có thể ăn mòn các vật dụng xung quanh nên phải đảm bảo rằng lượng ozone trong không khí luôn ở ngưỡng tiêu chuẩn cho phép là 0,1ppm [126].
Sử dụng ozone nồng độ 0,5ppm, sau 30 phút, chỉ có 12,1% trứng giun móc, 3,7% trứng giun đũa và 33% bào nang Giardia intestinalis bị tiêu diệt. Cũng với nồng độ 0,5 ppm nhưng trong 60 phút đã tiêu diệt 100% bào nang
Giardia intestinalis. Khi nồng độ ozone 0,5 ppm trong thời gian 180 phút, tỷ lệ sống sót của trứng giun đũa/móc vẫn rất cao. Trên thực tế, người dân xử lý thực phẩm bằng máy sục ozone trong khoảng thời gian 10- 15 phút theo hướng dẫn nên hiệu quả tiêu diệt mầm bệnh ký sinh trùng không cao [33].
+ Khử khuẩn bằng Clo
Chlorine (Cl2) là chất đậm đặc, màu vàng xanh lá cây và mùi khó chịu. Chlorine được sản xuất bằng điện phân muối Chloride. Khi cho vào nước, Chlorine sẽ tách ra 3 thành phần bao gồm ion CL-, H+ và axit hypochlorous (HOCL). Là axit yếu, hypochlorous sẽ dễ dàng tách thành ion hypochlorite (OCL-) và ion H+. Phương trình cân bằng dựa vào nhiệt độ và pH của nước.
Tổng hàm lượng 3 thành phần CL2, HOCL và OCL- chính là lượng Chlorine tự do trong nước và được tính bằng mg/lít. Ở nhiệt độ 250C, axit