Các phương pháp xử lý nước uống được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều thế kỷ nay nhằm mục đích bảo vệ sức khỏe cộng đồng khỏi các vi khuẩn gây bệnh cũng như hóa chất độc hại có thể có trong nước nguồn. Tùy thuộc vào chất lượng nước nguồn, các kỹ thuật xử lý phù hợp sẽ được lựa chọn sử dụng. Dưới đây, Scimitar Vietnam thống kê một số phương pháp xử lý nước chính dùng để xử lý nước uống.

Vai trò của việc xử lý nước

Trước thực trạng ô nhiễm nước mặt, nước ngầm hiện nay, việc nghiên cứu các phương pháp xử lý nước là điều tất yếu trong việc bảo vệ sức khỏe của cộng đồng khỏi các vi khuẩn gây bệnh cũng như hóa chất độc hại có thể có trong nguồn nước.

Trong nước sông, hồ, khoan và nước thủy cục thường có nhiều chất lơ lửng, một số chất khoáng hoà tan, mùi và các vi sinh vật gây bệnh cho con người như:

Chất rắn lơ lửng trong nước như axit sunphat đồng, oxi đồng, những chất độc thuộc chất hữu cơ clo, chất hữu cơ photpho, oxit nhôm, oxit sắt… gây ra tổn thương cho các bộ phận trong cơ thể…
Trong nước có mùi là do các vi khuẩn cũng như tạp chất hữu cơ bị phân hủy gây ra. Những tạp chất trong nước này sẽ gây khó chịu cho cơ thể khi sử dụng, làm ảnh hưởng đến hệ hô hấp, hệ tiêu hóa…
Các kim loại nặng trong nước như thủy ngân, chì… tích tụ trong cơ thể trong thời gian dài và có thể gây tử vong.
Trong nước luôn có vi khuẩn và vi rút, là tác nhân lây nhiễm các bệnh nguy hiểm.

Do vậy, trước khi sử dụng cho sinh hoạt, các loại nước này cần được xử lý để loại bỏ chất lơ lửng và sắt. Thông thường ở các làng quê, nước lấy từ sông hồ về phải đánh phèn, để lắng hoặc lọc qua một lớp sỏi, cát dày trước khi dùng. Ở các đô thị, khi có điều kiện, người ta khử trùng để tiêu diệt vi trùng gây bệnh trong nước và cung cấp nước đó tới người dùng qua hệ thống ống dẫn kín.

Tùy thuộc vào phương pháp xử lý và khử trùng, nước có thể đạt độ trong sạch tới mức uống được. Tuy nhiên mức độ khử trùng càng cao thì chi phí sản xuất càng lớn làm giá thành nước tăng lên. Do đó, không phải ở đâu người ta cũng khử trùng nước máy tới mức có thể uống ngay được.

Người ta đã chế tạo được những màng lọc đặc biệt, có tác dụng chỉ cho nước đi qua và giữ lại toàn bộ các vi sinh vật gây bệnh cũng như các chất tan trong nước. Nước sau khi lọc sẽ tinh khiết, trong sạch như nước cất.

Tuy nhiên, nước này cũng như nước cất, không hoàn toàn có lợi cho sức khoẻ con người, mặc dù chúng không chứa các vi trùng gây bệnh, nhưng chúng có thể không đủ các loại muối khoáng hoà tan cần thiết cho cơ thể con người.

Ðun sôi là biện pháp tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh đơn giản và hiệu quả nhất. Tuy nhiên, trong khi đun cần phải để cho nước sôi một lúc, nhất là khi đun nước trên các vùng núi cao. Bình đựng nước đun sôi để nguội, chai hộp nước ngọt uống dở phải được đậy kín để tránh côn trùng.

Các phương pháp xử lý nước uống

Nước uống sạch là rất quan trọng đến sức khỏe cộng đồng. Tuy nhiên, hiện nay nước uống đang bị ô nhiễm mạnh nên ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe con người.

Do Chlo (hóa chất dùng để tiệt trùng) được chứng minh là chất dẫn xuất gây một số chứng bệnh ung thư như Chloroform (một loại Trihalométhane) và mùi hôi của Chlo không những khó uống mà còn làm da bị khô, gây ngứa ngáy…
Do các hóa chất từ các loại thuốc trừ sâu, diệt cỏ, phân bón không tan trong nước
Do các kim loại nặng.
Do sự ô nhiễm của vi sinh, vi khuẩn và virus, dần dần trở thành nguồn ô nhiễm môi sinh gây nguy hiểm cho tính mạng con người.

Các phương pháp xử lý nước uống hiện nay tập trung vào ba quá trình chính, lọc thô, khử khuẩn và lọc tinh. Tùy theo điều kiện nguồn nước vào và yêu cầu chất lượng nước ra, hệ thống được chọn lọc và thiết kết cho hợp lý. Sau đây là phần giới thiệu một vài phương pháp xử lý nước uống đang được ứng dụng trong cuộc sống.

1. Phương pháp lọc thô

Phương pháp lọc thô dùng để loại trừ các tạp chất hữu cơ, chất bẩn và vi sinh trong nước

1.1. Lọc vật lý

a. Tạo lắng thật chậm

Dùng than, cát và sỏi trong một bể lắng hay nhiều bể lắng lọc liên hoàn, đôi khi còn dùng quạt thổi gió hay màn mưa nhân tạo đưa O2 vào để lắng phèn, khử mùi và dần dần loại trừ các tạp chất lơ lững trong nước.

Thiết bị rẻ tiền hiệu quả TOD giảm trên 90%, vi khuẩn giảm đến mức 95-98%, tuy nhiên tốn nhiều thời gian từ 21~45 ngày (hiện nay kỹ thuật này đã được cải tiến để thời gian tạo màng sinh học tự nhiên còn 5-7 ngày) và cồng kềnh. Ứng dụng cho khu nước đầu vào có hàm lượng phèn, tạp chất hữu cơ trong nước cao.

b. Màng lọc, lõi lọc

Các loại màng (lõi lọc) này chia làm nhiều lớp hay nhiều tầng, trong đó có cả lớp (hay tầng) than hoạt tính để khử mùi hay thêm một lớp diệt khuẩn. Loại lõi lọc này rất thuận tiện trong sử dụng và thay thế, gọn nhẹ và không chiếm chỗ so với những phương pháp cổ điển. Tuy nhiên, lõi lọc thô không xử lý triệt để được các hóa chất độc hại phát sinh từ nguồn nước hay các loại vi khuẩn gây bệnh.

1.2. Lọc hóa học

a. Phương pháp lắng/keo tụ

Nguyên lý của phương pháp lắng là sử dụng trọng lực để loại bỏ các hạt vật chất rắn có trong nước. Trong xử lý nước ăn uống, để tăng hiệu quả của phương pháp lắng, người ta kết hợp phương pháp lắng với phương pháp keo tụ.

Phương pháp keo tụ trong quy trình xử lý nước được biết đến là quá trình liên kết hoặc keo tụ các hạt rắn lơ lửng trong nước thành những hạt có kích thước lớn hơn và có khả năng lắng xuống đáy bể lắng. Chất keo tụ thường được sử dụng trong xử lý nước ăn uống bao gồm các loại muối nhôm và muối sắt hoặc hạt polymer nhân tạo.

Sau quá trình keo tụ, các bông cặn có kích thước đủ lớn được tạo thành, quá trình lắng tự nhiên sẽ diễn ra.

b. Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion dựa trên nguyên lý hấp thụ ion trái dấu của các hạt mang điện. Trong nước thường chứa các ion mang điện tích (-) gọi là anion và hạt mang điện tích (+) gọi là cation. Khi gặp điều kiện thuận lợi các ion mang điện trái dấu kết hợp với nhau và tạo thành hạt cặn có kích thước lớn hơn và lắng xuống đáy.

Vật liệu sử dụng trong các bể trao đổi ion thường là các hạt nhựa nhân tạo mang điện tích. Các hạt nhựa mang điện tích có nhiệm vụ hút các hạt mang điện tích trái dấu trong nước và tạo thành các bông cặn.

Quá trình trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ các chất bẩn vô cơ còn sót lại sau quá trình lắng và lọc. Phương pháp trao đổi ion có thể được sử dụng để làm mềm nước, loại bỏ các ion canxi và magie. Ngoài ra, phương pháp này còn được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng trong nước như asen, chrom, các ion phi kim như floride, nitrate, radium và uranium.

c. Phương pháp hấp phụ

Là phương pháp sử dụng các chất có hoạt tính bề mặt cao như than hoạt tính để hấp phụ các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Đây cũng là phương pháp được sử dụng các chất bẩn hữu cơ không loại bỏ được trong quá trình lắng và lọc. Bên cạnh loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, phương pháp hấp phụ được sử dụng để loại bỏ màu, mùi và vị có trong nước.

d. Phương pháp khử sắt

Sắt trong nước ngầm tồn tại dưới dạng sắt hóa trị II (Fe(II)). Fe(II) khi tiếp xúc với oxy sẽ được khử lên thành Fe(III) kết tủa và lắng xuống đáy. Do đó, để khử sắt người ta thường dùng phương pháp đơn giản nhất là dàn mưa. Nước được phun trên giàn mưa thành giọt nhỏ, trong quá trình rơi xuống tiếp xúc với oxy trong không khí thành kết tủa Fe(OH)3.

2. Phương pháp lọc tinh

Phương pháp lọc tinh loại trừ các tạp chất hữu cơ, chất bẩn và vi sinh trong nước nhỏ hơn 1 micro mét.

2.1. Màng siêu lọc (micro filter)

Màng siêu lọc bằng sợi theo cấu tạo ma trận với lỗ lọc 0,2~0,4 mm có khả năng ngăn chặn vi trùng, vi khuẩn khá tốt và ứng dụng nguyên lý thẩm thấu ngược (reverse osmosis). Phương pháp màng lọc thẩm thấu ngược RO (Reverse Osmosis) là một trong những phương pháp màng lọc thông dụng nhất.

Phương pháp RO là một hệ thống áp lực nên thường đặc biệt tiêu hao năng lượng hơn bất cứ phương pháp màng lọc nào do phải sử dụng điện năng và cơ năng để duy trì áp lực cần thiết trong hệ thống.

Do có áp lực trong hệ thống nên các lỗ xốp trên màng lọc có thể có kích thước nhỏ hơn các loại màng lọc khác, cho phép loại bỏ phần lớn các chất bẩn và giữ lại các muối hòa tan có trong nước. Màng lọc thẩm thấu ngược (màng RO) được làm bằng Cellulose acetate, polyamide hoặc màng TFC có lỗ lọc siêu nhỏ (≤ 0,001µm).

Các phương pháp màng lọc khác như lọc nano (NF – nanofiltration), siêu lọc (UF – ultrafiltration), siêu vi lọc (MF – microfiltration) và thẩm tách điện (ED – electrodialysis).

2.2. Ống lọc sứ tráng Nitrate bạc

Kỹ thuật này được phát minh vào năm 1947 khi kỹ thuật tạo hình ống lọc sứ có lỗ thoát với độ lớn 0,2-0,4 micron được xác lập. Như chúng ta đều biết, vi trùng hay vi khuẩn có độ lớn bình quân từ 0,5-0,6 micron, vì vậy ống lọc này có thể ngăn chặn được chúng và để bảo đảm hơn, ngăn ngừa vi khuẩn phát triển len lõi vào bên trong ống lọc, họ đã trộn

Nitrate bạc vào dung dịch sứ (trước khi nung) không để cho bạc có thể rơi rụng khi nước đi qua đồng thời phát huy hiệu quả sát trùng trực tiếp trong nước thay vì sử dụng các loại hóa chất Flo, Iod hay Chlo có thể gây tác hại lâu dài khi không quản lý được nồng độ chặt chẽ.

Thêm vào đó, phần ruột của ống là một lớp thạch anh tẩm Nitrate bạc nhằm tránh hiện tượng vi trùng chen lẫn từ vòi uống (đầu ra) trở lại ống lọc (tái nhiễm khuẩn), bảo đảm nguồn nước đã xử lý không bị nhiễm khuẩn trở lại.

Với ống lọc sứ pha Nitrate bạc, người ta có thể an tâm hơn và khá tiện dụng vì có thể vệ sinh ống lọc mỗi khi bị tắc nghẽn (do vi khuẩn hay chất bẩn bám đầy) thay vì phải bỏ đi hay thay thế ống lọc mới như loại Cartridge bằng sợi nhân tạo. Theo kết quả nghiên cứu của các nhà sản xuất (Katadyn Thụy sĩ và Roki Nhật bản) thì ống lọc sứ sẽ mất tác dụng khi phần sứ bọc bên ngoài bị mòn sau 3-5 năm sử dụng.

Về mặt thực tiễn, khó có thể ứng dụng ống lọc này cho các hệ thống xử lý nước có quy mô lớn vì việc vệ sinh ống không thể thực hiện dễ dàng, và giá thành khá đắt so với các giải pháp khác nhưng với loại gia đình thì loại ống lọc này khá lý tưởng và đã được Tổ chức sức khỏe Thế giới (WHO) cung cấp cho các bệnh viện, trạm xá ở một số nước trong chương trình y tế cộng đồng.

3. Tiệt trùng

Nước nên được khử trùng trước khi sử dụng hoặc trước khi được phân phối cho các hộ gia đình để đảm bảo rằng các vi khuẩn có hại đều bị tiêu diệt. Có thể khử trùng nước bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học

3.1. Phương pháp vật lý

a. Khử trùng bằng đèn cực tím (UV)

Tia UV (có độ dài sóng 254nm) có khả năng diệt khuẩn rất tốt và giá khá rẻ, tuy nhiên dùng đèn cực tím có những khó khăn nhất định như: Độ ổn định của dòng điện sử dụng (không dao động ± 5%); Phải sử dụng liên tục nếu không sẽ bị nhiễm khuẩn lại (vì nước vẫn tiếp tục chảy).

Tia cực tím UV chỉ có tác dụng tiệt trùng, không có chức năng lọc nước (hóa lý), vì vậy thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm với lưu lượng bé hay trong những hệ thống lớn có đủ khả năng kiểm tra, theo dõi và độ ổn định về nguồn điện tuyệt đối.

Hệ thống xử lý nước bằng tia UV thường được kết hợp với các bộ phận khác (sơ lọc và tinh lọc) mới phát huy được hiệu quả. Tiệt trùng bằng tia UV trong những điều kiện đầy đủ là một phương pháp lý tưởng và không gây hại như trường hợp hóa chất.

b. Khử trùng bằng nhiệt

Là phương pháp phổ biến, dễ thực hiện và hiệu quả để tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh. Phương pháp này thường được sử dụng ở quy mô hộ gia đình. Để đảm bảo tiệt khuẩn, nước cần được đun sôi đạt 1000°C trong 15 phút.

c. Khử trùng bằng tia tử ngoại

Tia tử ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng từ 4 – 400nm, có tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn. Tia tử ngoại bước sóng 254nm có tác dụng khử trùng cao. Để đảm bảo khử trùng tốt, nước phải trong và đủ thời gian tiếp xúc.

Một phương pháp tận dụng tia tử ngoại tự nhiên đó là tia nắng mặt trời. Tại những vùng nắng nóng có thể đựng nước trong chai nhựa/thủy tinh không màu, trong suốt, để dưới nắng ít nhất 30 phút. Phương pháp đơn giản này có thể tiêu diệt được các vi khuẩn có thể có trong nước dưới tác dụng của tử ngoại mặt trời.

d. Khử trùng bằng sóng siêu âm

Dòng siêu âm có cường độ ≥ 2W/cm2, trong khoảng thời gian tiếp xúc 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật có trong nước.

3.2. Phương pháp hóa học

Các hóa chất được sử dụng để khử trùng nước bao gồm bạc, iot, ozon, clo và các hợp chất khử trùng chứa clo (như cloramin hoặc clorine dioxide – ClO2). Trong hầu hết các nhà máy nước ở Việt Nam, người ta khử trùng bằng clo hoặc các hợp chất của clo do hiệu quả tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh cao.

Các hóa chất khử trùng trên được áp dụng tại các nhà máy nước để khử trùng nước trước khi phân phối đến các hộ gia đình, hoặc cũng có thể được các hộ gia đình sử dụng để khử trùng tại nhà.

a. Chlo

Một trong những hóa chất phổ biến được dùng trong công nghệ xử lý nước từ đầu thế kỷ này là Chlorine vì hóa chất này có khả năng diệt tất cả vi khuẩn trong nước, mặc dù những hóa chất khác tồn tại trong nước như Phénol phản ứng với Chlor có thể tạo ra mùi và vị nước khó uống. Chỉ với một lượng Chlorine 0,16 mg/l (ở độ pH=7) hay 0,45 mg/l (pH=9) là người ta cảm thấy nước có mùi khó chịu.

Ngoài ra, các chất Ammoniac trong nước sẽ phản ứng với Chlorine tạo ra các loại Chloramine (Mono, Di và Trichlororamine) hay Phénol cũng làm cho nước bị nhiễm mùi. Tuy thế, ở các trạm xử lý nước công nghiệp, người ta vẫn sử dụng Chlorine và điều chỉnh nồng độ của nó theo hàm lượng vi khuẩn và các tạp chất (hóa học) khác có trong nước vì xử lý nước theo phương pháp này giá thành nước máy vẫn rẽ nhất.

Vào những năm đầu thập niên 70, người ta phát hiện được nhiều chất dẫn xuất trong nước từ Chlorine và hàng loạt độc tố dẫn xuất từ Chlorine như Trihalomethane (THM). Trihalomethane là một hợp chất Carbon hữu cơ có công thức CHX3 mà X là một phân tử halogene (như Brom, Fluor hay Iod).

Có 4 loại THM chính trong nước uống: Chloroform (CHCl3), Bromo dichloromethane (CHBrCl2), Dibromochloro methane (CHBr2Cl) và Bromoform (CHBr3). Những hợp chất THM hay chất dẫn xuất từ Chlorine chỉ có thể tìm thấy trong nước uống khi nước được diệt trùng bằng Chlorine mà thôi. Tùy theo nồng độ Chlorine, nhiệt độ của nước và pH mà THM sẽ phát sinh nhiều hay ít do các tạp chất hữu cơ phản ứng với Chlorine khi hàm lượng Chlorine quá liều.

Ngoài yếu tố nồng độ Chlorine, THM lại tăng theo nhiệt độ và độ pH của nước, phát sinh ra nhiều độc tố khác (nếu nguồn nước đã bị nhiễm bẩn hóa chất hay thuốc trừ sâu…). Đáng lo ngại nhất là Chloroform vì chỉ với 44gr Chloroform có thể giết chết được một người nặng 70kg và vì lượng Chloroform trong nước sẽ gây ra bệnh ung thư nếu nước uống này được sử dụng trong thời gian dài. WHO cho biết, nếu nước có phát sinh Chloroform thì những biến chứng về ung thư (bladder, intestinal và rectal) sẽ xảy ra.

b. Flo, Iod

Khi sử dụng các hóa chất này, yêu cầu phải có những biện pháp ngăn ngừa và kiểm tra nồng độ chặt chẽ. Theo tiêu chuẩn phổ biến, hàm lượng Flo chỉ được cho phép 0,6mg/l – 1mg/l, nhưng nếu dùng lâu ngày sẽ bị hư lớp men (enamel) trên răng.

Hiện nay vẫn có những ý kiến phản đối việc sử dụng Flo cho trẻ em vì các nguyên nhân, như: hóa chất vô cơ cực độc, khó có thể kiểm tra được hàm lượng Flo trong nước nếu sử dụng một cách thường xuyên, khó theo dõi và kiểm tra cơ thể đã hấp thụ bao nhiêu, Flo còn có khả năng tiêu diệt cả những vi khuẩn cần thiết cho bộ máy tiêu hóa.

Về mặt lý thuyết, Flo, Iod, Chlo là những chất sát trùng rất hiệu quả nhưng trên thực tế, rất hiếm thấy những máy lọc nước sử dụng Iod cho gia đình tại nhiều nước trên thế giới (Pháp, Mỹ, Nhật, Thụy Sĩ).

Cobalt60, Iodine131 là những chất bức xạ b có nhiều nguy hại đến sức khỏe (a significant health risk). WHO định mức nồng độ b chỉ được dùng 1,0 Bq/lít (1 pci tương đương với 3,7 x 1010 Bq) và việc theo dõi này vô cùng phức tạp, phải có trang thiết bị chuyên dùng đo nồng độ bức xạ do cơ quan nguyên tử lực quản lý.

Tiêu chuẩn về độ phóng xạ a, b của Bộ Y tế Việt Nam đều giống với tiêu chuẩn nêu trên của WHO, trong khi đó Tiêu chuẩn Việt Nam của Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng là 3 pci/lít. WHO cho biết sử dụng Iodine là một biện pháp tiệt trùng tạm thời trong một thời gian rất ngắn, không nên dùng vào việc xử lý nước uống thường xuyên.

c. Ozon

Ozone (O3) cũng là một loại khí có khả năng diệt trùng hiệu quả nhờ tính oxít hóa mạnh mẽ của nó. Ozone hủy diệt tất cả các loại vi khuẩn trong nước (chỉ cần 1ppm (1 phần triệu) trong 10 phút là có thể sát khuẩn), nhưng Ozone lại gây ra mùi rất hăng, khó uống cho nên thường được dùng kèm theo bộ lọc than hoạt tính để khử bớt mùi này trong những trang thiết bị lọc nước hiện đại, nhưng việc kiểm soát nồng độ tương đối phức tạp và khá đắt tiền.

Hiện nay, phương pháp tiệt trùng bằng Ozone được áp dụng tại những trạm xử lý nước trung tâm ở những nước giàu có, nơi đó có điều kiện điều chỉnh và kiểm tra tự động như Nhật Bản và Thụy Sĩ. Đây là một phương pháp khá kinh tế và thuận lợi trong công nghệ xử lý nước công nghiệp, đặc biệt có hiệu quả đối với các nhà máy dùng nước làm nguyên liệu như trong lĩnh vực y dược, nước uống có pha các loại Vitamin và lĩnh vực mỹ phẩm.

d. Ion bạc

Với phương pháp khử trùng bằng ion bạc, các ion bạc được bổ sung vào nước với tỷ lệ từ 0.005-0.1 mg/l. Các ion bạc có khả năng diệt khuẩn (olidodynamic). Tuy nhiên, hiệu quả diệt khuẩn cụ thể là không xác định được và sự bảo vệ khỏi vi khuẩn trong thời gian dài cũng không được đảm bảo. Thời gian xử lý kéo dài khoản vài giờ. Hiện nay, quy trình này chủ yếu được ứng dụng trong khử trùng nước uống trên tàu hoặc cho việc cung cấp nước cho những vùng gặp thiên tai.