Nước là nhu cầu tất yếu của mọi sinh vật. Không có nước cuộc sống trên trái đất không thể tồn tại được. Hàng ngày trung bình mọi người cần từ 3-10 lít đáp ứng cho nhu cầu ăn uống và sinh hoạt hằng ngày. Trong sinh hoạt nước cấp dùng đáp ứng nhu cầu sinh hoạt ăn uống, vệ sinh, cac họat động giải trí, và cac họat động công cộng như cứu hỏa, phun nước, tưới đường…còn trong công nghiệp, nước cấp được dùng cho quá trình làm lạnh, sản xuất thực phẩm như đồ hộp, nước giải khát, rượu… Hầu như mọi ngành công nghiệp đều sử dụng nước cấp như là một nguồn nguyên liệu không gì thay thế được trong sản xuất.

Tùy thuộc vào mức độ phát triền công nghiệp và mức sinh hoạt cao thấp của mọi cộng đồng mà nhu cầu về nước cấp với số lượng và chất lượng khác nhau.

Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp, đô thị và sự bùng nổ dân số nguồn nước càng ngày bị ô nhiễm và cạn kiệt. …

Vì thế con người cần phải biết cách xử lý các nguồn nước cấp đề đáp ứng cả về chất lượng lẫn số lượng cho sinh hoạt hằng ngày và sản xuất công nghiệp.

2. Ưu và nhược điểm khi sử dụng nước ngầm:

2.1 Ưu điểm

-Nước ngầm là tài nguyên thường xuyên, ít chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu như hạn hán.

-Chất lượng nước tương đối ổn định, ít bị biến động theo mùa như nước mặt.

-Chủ động hơn trong vấn đề cấp nước cho các vùng hẻo lánh, dân cư thưa, nhất là trong hoàn cảnh hiện nay bởi vì nước ngầm có thể khai thác với nhiều công suất khác nhau.

-Để khai thác nước ngầm có thể sử dụng các thiềt bị điện như bơm ly tâm, máy nén khí, bơm nhúng chìm hoặc các thiết bị không cần điện như các loại bơm tay. Ngoài ra nước ngầm còn đươc khai thác tập trung tại các nhà máy nuớc ngầm, các xí nghiệp, hoặc khai thác phân tán tại các hộ dân cư. Đây là ưu điểm nổi bật của nước ngầm trong vấn đề cấp nước nông thôn.

-Giá thành xử lý nước ngầm nhìn chung rẻ hơn so với nước mặt.

2.2 Nhược điểm

-Một số nguồn nước ngầm ở tầng sâu được hình thành từ hàng trăm, hàng nghìn năm và ngày nay nhận được rất ít sự bổ cập từ nước mưa. Và tầng nước này nói chung không thể tái tạo hoặc khả năng tái tạo rất hạn chế. Do vậy trong tương lai cần phải tìm nguồn nước khác thay thế khi các tầng nước này bị cạn kiệt.

-Việc khai thác nước ngầm với qui mô và nhịp điệu quá cao cũng sẽ làm cho hàm lượng muối trong nước tăng lên từ đó dẫn đến việc tăng chi phí cho việc xử lý nước trước khi đưa vào sử dụng.

-Khai thác nước ngầm với nhịp điệu cao sẽ làm cho mực nước ngầm hạ thấp xuống, một mặt làm cho quá trinh nhiễm mặn tăng lên, mặt khác làm cho nền đất bị võng xuống gây hư hại các công trình xây dựng-một trong các nguyên nhân gây hiện tượng lún sụt đất.

-Khai thác nước ngầm một cách bừa bãi cũng dễ dẫn tới tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngầm.

3.Các phương pháp xử lý nước ngầm

Về nguyên tắc nước chứa hàm lượng tạp chất ở dạng nào lớn hơn giới hạn cho phép thì phải xử lý trước khi đem sử dụng. Cho đến nay người ta xử lý nước theo các phương pháp sau:

Xử lý nước ngầm bằng phương pháp cơ học

Nước từ nguồn được bơm cấp 1 phun qua giàn mưa thành những tia nhỏ để ôxy của không khí tác dụng với Fe2+ thành Fe3+. Nước dàn mưa được dẫn đi lắng lọc ở các bể lọc chứa chất lọc (cát, đá, than hoạt tính…)

Xử lý nước ngầm bằng phương pháp hóa học

Là phương pháp dùng hóa chất, các phản ứng hóa học trong quá trình xử lý nước.

Nếu nước có độ đục lớn chứng tỏ chứa nhiều chất hữu cơ và sinh vật phù du thì dùng phèn và chất tạo keo tụ để ngưng tạp chất.

Nước chứa nhiều ion kim loại (độ cứng lớn) xử lý bằng vôi, sôđa hoặc dùng phương pháp trao đổi ion. Nước chứa nhiều độc tố H2S xử lý bằng phương pháp oxy hóa, clo hóa, phèn.

Nước chứa nhiều vi khuẩn thì phải khử trùng bằng các hợp chất chứa clo, ozon.

Nước chứa Fe thì oxy hóa Fe2+ bằng oxy không khí (làm thóang giàn mưa) hoặc dùng chất oxy hóa để xử lý…

Độ kiềm của nước nhỏ làm cho quá trình keo tụ khó khăn, nước có mùi vị thì phải kiềm hóa bằng amoniac (NH3). Sau khi cacbon hóa, clo hóa sơ bộ rồi thêm KMnO4.

Nước có nhiều oxy hòa tan thì phải xử lý bằng cách dùng các chất khử để liên kết oxy. Đó là hydrazin, natrithisunfat…

Nhìn chung các phương pháp xử lý hóa học thường đạt năng suất và có hiệu quả cao.

Xử lý nước ngầm bằng phương pháp vi sinh

Trên thế giới hiện nay phương pháp xử lý nước bằng vi sinh đang được nghiên cứu và có một số nơi đã áp dụng. Trong phương pháp này một số chủng loại vi sinh đặc biệt đã được nuôi cấy và được đưa vào trong quá trìng xử lý nước với liều lượng rất nhỏ nhưng đạt hiệu quả cao. Tuy nhiên cho đến nay những kết quả nghiên cứu của phương pháp này chưa được công bố rộng rãi.

Tùy thuộc vào nguồn nước làm nguyên liệu cho các lãnh vực khác nhau mà ngườt ta đã sử dung cac phương pháp khác nhau để xử lý nước cấp cho lãnnh vực đó. Thông thường thì người ta kết hợp cả 2 phương pháp cơ học và hóa học để xử lý nước.

4. Kỹ thuật và công nghệ xử lý nước ngầm

4.1 Các công trình thu nước ngầm

a. Giếng khoan

Giếng khoan là công trình thu nước ngầm mạch sâu với công suất trung bình và lớn, có độ sâu vài chục đến vài trăm mét và đường kính giếng phụ thuộc vào lưu lượng cần khai thác. Giếng khoan gồm có: giếng khoan hoàn chỉnh (khoan tới lớp cách nước) và giếng khoan không hoàn chỉnh (khoan lưng chừng đến lớp đất chứa nước) giếng khoan có áp và không áp. Khi cần khai thác một lượng nước lớn, người ta có thể dùng một nhóm giếng khoan, tuy nhiên trong trường hợp này các giếng sẽ bị ảnh hưởng lẫn nhau khi làm việc đồng thời.

b. Hệ thống thu nước ngầm tầng nông

Đây là loại công trình dùng để thu nước ngầm mạch nông ở những nơi nước ngầm sâu bị nhiễm mặn, việc đào giếng khó khăn.

Đường ống thu nước bao gồm một hệ thống ống thu nước đặt nằm ngang dạng đục lỗ hoặc dạng xẻ rãnh ở đường ống, đặt trong lớp đất có chứa nước, có độ dốc để nước tự chảy về giếng tập trung, từ đây có thể dùng gào múc hoặc máy bơm để lấy nước. Để ngăn không cho cát chui vào bên trong ống thu nước, người ta thường xếp đá dăm, cuội, sỏi xung quanh ống.

Trên đường ống đưa nước về giếng tập trung, cứ khoảng 25-30m phải bố trí một giếng thăm để kiểm tra nước, lấy cặn và thông hơi.

c. Phương tiện lấy nước từ giếng lên

Để lấy nước từ giếng lên người ta thường sử dụng gầu múc nước bằng tay (với các giếng đào khơi) hoặc các loại bơm giếng khác nhau.

Một trong những bơm giếng phổ biến nhất ở vùng nông thôn là giếng bơm tay theo mô hình của UNICEF. Để bơm nước từ các giếng khoan qui mô nhỏ, người ta thường sử dụng các loại bơm ly tâm hoặc máy nén khí. Đối với các giếng khoan qui mô công nghiệp, người ta thường sử dụng bơm hỏa tiễn.

Tính toán thủy lực giếng lấy nước ngầm có thể chia ra: giếng đơn chiếc (không chịu ảnh hưởng của các giềng bơm khác), và nhóm giếng bơm, với sơ đồ bố trí có quan hệ thủy lực với nhau.

4.2 Công trình xử lý sắt, mangan

Các phương pháp khử sắt, mangan trong nước ngầm

a. Khử sắt, mangan bằng phương pháp làm thoáng

Sắt, Mangan trong nước thường tồn tại ở dạng Fe2+, Mn2+ vì vậy muốn loại chúng ra khỏi nước cần oxy hóa chúng thành muối Fe3+, Mn4+ ở dạng ít tan rối dùng phương pháp lắng, lọc dể giữ chúng lại và loại chúng ra khỏi nước. Muốn oxy hóa Fe2+ thành Fe3+, Mn2+ thành Mn4+ người ta thường sử dụng phương pháp làm thoáng tự nhiên hay cưỡng bức (các dàn mưa hay quạt gió). Thực chất của phương pháp làm thoáng là làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện cho Fe2+ oxy hoá thành Fe3+ sau đó Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân để tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3,Mn2+ thành MnO2 rồi dùng bể lọc để giữ lại.

b. Khử sắt,mangan bằng phương pháp dùng hóa chất

Khử sắt,mangan bằng chất oxy hóa mạnh

- Các chất oxy mạnh thường dùng để khử sắt là: Cl2, KMnO4, O3…So sánh với phương pháp khử sắt bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxy hóa mạnh phản ứng xảy ra nhanh hơn, pH môi trường thấp hơn (pH<6). Nếu trong nước có tồn tại các hợp chất như: H2S, NH3 thì chúng sẽ ảnh hưởng lớn đến quá trình khử sắt,mangan.

c. Các phương pháp khác để khử sắt và mangan

Khử sắt,mangan bằng phương pháp trao đổi ion

Việc sử dụng phương pháp trao đổi ion khử sắt và mangan cũng tương đối thông dụng. Do hai nguyên tố này có hóa trị hai nên dễ dàng bị hấp phụ bởi các vật liệu trao đổi ion.

Khó khăn của phương pháp này là nếu sắt và mangan bị oxy hóa bởi oxy thì nó sẽ bám lên các vật liệu trao đổi ion và mất tác dụng của chúng.

Vì vậy việc kiểm soát hàm lượng oxy hòa tan trong nước vào hệ thống trao đối ion là rất quan trọng.

Khử sắt bằng phương pháp điện phân

Dùng các cực âm bằng sắt, nhôm cùng cac cực dương bằng đồng mạ niken và dùng điện cực hình ống trụ hay hình sợi thay cho tấm điện cực phẳng.

Phương pháp dùng muối polyphotphat

Polyphotphat có thể tạo nên các kết tủa sắt và mangan rất nhanh và hiệu quả. Polyphotphat được hòa trộn với liều lượng khoảng gấp 2 lần nồng độ của sắt và mangan. Tuy nhiên phương pháp dùng muối polyphotphat sẽ không thích hợp cho các nguồn nước có hàm lượng sắt và mangan vượt quá 1 mg/l.

4.3 Các phương pháp làm mềm nước

Quá trình làm mềm nước (khử độ cứng) có thể thực hiện bằng cách tạo kết tủa không tan hoặc bằng phương pháp trao đổi ion. Quá trình làm mềm nước cũng có thể kết hợp với quá trình khử khoáng bằng cách sử dụng màng bán thấm. Màng lọc bán thấm áp suất thấp có thể được dùng cho việc làm mềm nước có TDS thấp.

4.3.1 Phương pháp làm mềm bằng kết tủa

Tác nhân làm mềm nước thường sử dụng là vôi hoặc soda. Sự lựa chọn tác nhân này hay tác nhân kia là phụ thuộc vào chất lượng nguồn nước và tính toán kinh tế. Khi độ kiềm cacbonat chiếm ưu thế, quá trình làm mềm có thể thực hiện bằng cách tăng pH và cả CaCO3 , Mg(OH)2 đều kết tủa. Khi độ kiềm cacbonat quá thấp, hàm lượng cacbonat phải được bổ sung bằng bột soda.

Các phản ứng chính:

CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O

Ca(HCO3) + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + H2O

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + 2Ca(CO3) + H2O

MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaSO4

4.3.2 Quá trình làm mềm nước bằng vôi – soda

Khi độ kiềm cacbonat không đủ để phản ứng với vôi thì cần phải cung cấp từ nguồn bên ngoài, thông thường sử dung soda bột Na2CO3. Phương trình phản ứng:

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4

4.3.3 Quá trình làm mềm bằng xút

Xút cũng được sử dụng khi độ cứng cacbonat không đủ để phản ứng với vôi. Sự lựa chọn giữa soda bột và xút không chỉ phụ thuộc vào lý do kinh tế mà còn phụ thuộc vào các yếu tố như vận hành dễ dàng hệ thống xử lý và hàm lượng magiê trong nguồn nước.

Các phản ứng:

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O

Ca(HCO3)2 + 2NaOH = CaCO3 + Na2CO3 +2H2O

Mg(HCO3)2 + 2NaOH = Mg(OH)2 + Na2CO3 + H2O

MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2 + Na2SO4

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4

5. Khử trùng

Về nguyên lý các quá trình khử trùng có thể thực hiện bằng phương pháp vật lý hoặc phương pháp hóa học.

5.1 Phương pháp vật lý

Phương pháp nhiệt: khi đun sôi nước ở 100 oc đa số các vi sinh vật bị tiêu diệt. Tuy nhiên có một số vi sinh vật khi nhiệt độ cao liền chuyển sang dạng bào tử với lớp bảo vệ vững chắc. Để tiêu diệt nhóm vi khuẩn này cần đun sôi nước đến 120 oc. Phương pháp nhiệt tuy đơn giản nhưng tốn năng lượng và thiết bị nên thường áp dụng ở quy mô nhỏ.
Phương pháp UV: tia UV (tia cực tím) có khả năng tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật. Trong kỹ thuật, khi lưu lượng nước cần khử trùng nhỏ, có thể sử dụng các thiết bị khử trùng bằng tia UV. Cơ cấu chính của thiết bị là các đèn bức xạ, tia tử ngoại đặt trong dòng chảy của nước. Hiệu quả của phương pháp này chỉ đạt được hoàn toàn khi trong nước không có chất hữu cơ và cặn lơ lửng.
Phương pháp siêu âm: Dòng siêu âm với cường độ từ 2w/cm2 trở đi trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước.
Phương pháp lọc: Đại bộ phận vi sinh vật trong nước có kích thước từ 1-2 micromet. Nếu đem lọc nước qua lớp lọc có kích thước khe rỗng nhỏ hơn 1 micromet có thể loại trừ được đa số vi khuẩn. Lớp lọc thường dùng các tấm sành, sứ, xốp với khe rỗng cực nhỏ. Dùng phương pháp này nước phải có hàm lượng cặn nhỏ hơn 2 mg/l.

Khử trùng bằng phương pháp vật lý có ưu điểm cơ bản không làm thay đổi tính chất lý hóa của nước không gây nên các hậu quả phụ. Tuy nhiên do hiệu suất thấp nên thường chỉ áp dụng ở quy mô nhỏ với các điều kiện kinh tế kỹ thuật cho phép.

5.2 Phương pháp hóa học:

Cở sở của phương pháp hóa học là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào vi sinh và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là Clo, Brôm, Iốt, Ozôn, Kalipemanganat.

a. Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của nó

Clo là một chất oxy hóa mạnh ở bất cứ dạng nào dù là nguyên chất hay hợp chất khi tác dụng với nước đều tạo ra phân tử axit hypoclorit có tác dụng khử trùng nước mặt. Tốc độ của quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ trong nước tăng, đồng thời phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùngvì quá trình khuếch tán trong vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn trong quá trình phân ly. Tốc độ khử trùng bị chậm rất nhiều khi trong nước có các chất hữu cơ, cặn lơ lửng và các chất khử khác. Khi cho Clo vào nước xảy ra các phản ứng sau:

Cl2 + H2O = HOCl + HCl.

Hoặc ở dạng phương trình phân ly:

Cl2 + H2O = 2H+ + OCl- + Cl-

Khi sử dụng Clorua vôi làm chất sát trùng phản ứng sẽ là:

Ca(OCl)2 + H2O = CaO + 2HOCl

2HOCl = 2H+ + 2OCl-

Khi pH tăng, nồng độ HOCl giảm làm cho hiệu quả khử trùng cũng giảm đi tương ứng. Để quá trình khử trùng nước bằng Clo có hiệu quả cao nhất nên tiến hành khi nước có độ pH thấp, trước khi xử lý ổn định nước. Khi trong nước có muối amoni, amoniac hay các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm amoni thì axit hypoclorit tham gia vào phản ứng với chúng tạo thành monocloramin và đicloramin:

HClO + NH3 = NH2Cl + H2O

HClO + NH2Cl = NHCl2 + H2O

HOCl + NHCl2 = NCl3 + H2O

Đồng thời khả năng diệt trùng bị giảm đi. Khả năng diệt trùng của monocloramin thấp hơn của đicloramin 2 đến 3 lần.

Để đảm bảo cho quá trình khử trùng đạt hiệu quả tốt, sau khi khử trùng cần giữ lại trong nước một lượng clo dư thích hợp. Với các hệ thống cấp nước sinh hoạt lượng clo dư thường từ 0,2-0,3 mg/l để chống sự tái nhiễm bẩn trong mạng lưới đường ống phân phối hoặc nơi tiêu thụ.

c. Khử trùng nước bằng ion các kim loại nặng:

Với nồng độ rất nhỏ của ion kim loại nặng có thể tiêu diệt được các loại sinh vật và rêu tảo sống trong nước. Diệt trùng bằng ion kim loại nặng đòi hỏi thời gian tiếp xúc lớn. Tuy nhiên không thể nâng cao nồng độ kim loại nặng để giảm thời gian diệt trùng vì khi đó sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe của người sử dụng nước.

d.khử trùng nước bằng ozôn

Hiện nay khử trùng nước bằng ozôn đang phát triển mạnh trên thế giới. Khi cho Ozôn vào nước, nó phá hủy không chỉ các men và cả vi sinh chất của tế bào. Với vi khuẩn bào tử ozôn có tác dụng mạnh hơn Clo 300-800 lần. Đồng thời ozôn còn oxy hóa các hợp chất hữu cơ gây ra màu, mùi vị của nước. Tuy nhiên ozôn rất độc đối với con người. Trong nước nó phân hủy rất nhanh thành oxy phân tử và nguyên tử. Tốc độ phân hủy tăng nhanh khi nồng độ muối, pH và nhiệt độ muối tăng.

Ozôn được sản xuất tại các nhà máy nước bằng các thiết bị đặc biệt, hoạt động theo nguyên lý phóng điện qua không khí.

6. Các công nghệ xử lý nước ngầm trong và ngoài nước