XỬ LÝ NƯỚC NGẦM

I. THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC NGẦM

1.Khái niệm nước ngầm (nước dưới đất).

Nước ngầm là một dạng nước dưới đất, tích trữ trong các lớp đất đá trầm tích bở rời như cặn, sạn, cát, bột kết, trong các khe nứt, hang caxtơ dưới bề mặt trái đất, có thể khai thác cho các hoạt động sống của con người. Theo độ sâu phân bố, có thể chia nước ngầm thành nước ngầm tầng mặt và nước ngầm tầng sâu. Đặc điểm chung của nước ngầm là khả năng di chuyển nhanh trong các lớp đất xốp, tạo thành dòng chảy ngầm theo địa hình. Nước ngầm tầng mặt thường không có lớp ngăn cách với địa hình bề mặt. Do vậy, thành phần và mực nước biến đổi nhiều , phụ thuộc vào trạng thái của nước mặt. Loại nước ngầm tầng mặt rất dễ bị ô nhiễm. Nước ngầm tầng sâu thường nằm trong lớp đất đá xốp được ngăn cách bên trên và phía dưới bởi các lớp không thấm nước. theo không gian phân bố, một lớp nước ngầm tầng sâu thường có 3 vùng chức năng :

– Vùng thu nhận nước

– Vùng chuyển tải nước

– Vùng khai thác nước có áp.

Khoảng cách giữa vùng thu nhận và vùng khai thác nước thường khá xa, từ vài chục đến vài trăm km. Các lỗ khoan nước ở vùng khai thác thường có áp lực. Đây là loại nước ngầm có chất lượng tốt và lưu lượng ổn định. Trong các khu vực phát triển đá cacbonat thường tồn tại loại nước ngầm caxtơ di chuyển theo các khe nút caxtơ. Trong các dải cồn cát vùng ven biển thường có các thần kính nước ngọt nằm trên mực nước biển.

2. Một số đặc điểm và cấu trúc của nước ngầm.

2.1 Đặc điểm

Đặc tính chung về thành phần, tính chất của nước ngầm là nước có độ đục thấp, nhiệt độ và các thành phần hóa học ít thay đổi, nước không có oxy hóa trong môi trường khép kín là chủ yếu, thành phần của nước có thể thay đổi đột ngột với sự thay đổi độ đục và ô nhiễm khác nhau. Những thay đổi này liên quan đến sự thay đổi lưu lượng của lớp nước sinh ra do nước mưa.

Thành phần, tính chất nước ngầm phụ thuộc vào nguồn gốc, cấu trúc địa tầng của khu vực và chiều sâu của lớp nước ngầm… Trong nước ngầm không chứa rong, tảo là yếu tố dễ gây ô nhiễm nguồn nước nhưng chúng lại chứa các tạp chất hoà tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, các quá trình phong hoá và sinh hoá trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong hoá tốt, mưa nhiều hoặc bị ảnh hưởng của nguồn thải thì trong nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hoà tan, các chất hữu cơ. Bản chất địa chất của khu vực ảnh hưởng lớn đến thành phần hoá học của nước ngầm vì nước luôn tiếp xúc với đất đá trong đó nó có thể lưu thông hoặc bị giữ lại. Giữa nước và đất luôn hình thành nên sự cân bằng về thành phần hoá học, vì vậy thành phần của nước thể hiện thành phần của địa tầng khu vực đó. Tuy vậy, nước ngầm có một số đặc tính chung là: độ đục thấp, nhiệt độ và thành phần hoá học ít thay đổi theo thời gian, ngoài ra nước ngầm thường chứa rất ít vi khuẩn, trừ trường hợp nguồn nước bị ảnh hưởng của nước bề mặt.

Trong nước ngầm thường không có mặt oxi hoà tan nhưng có hàm lượng CO2 cao, thường có hàm lượng sắt tổng cộng với các mức độ khác nhau, từ vài mg/l đến 100 mg/l hoặc lớn hơn, vượt xa tiêu chuẩn cho phép với nước ăn uống sinh hoạt ( tiêu chuẩn cho phép đối với hàm lượng sắt trong nước ăn uống sinh hoạt là 0,3 mg/l, đối với khu vực đô thị là 0,5 mg/l đối với khu vực nông thôn). Do đó cần phải xử lý trước khi đưa vào sử dụng. Một đặc điểm khác cần quan tâm là pH trong nước thường khá thấp, nhiều nơi pH giảm đến 3 – 4 ( do hàm lượng CO2 cao), không thuận lợi cho việc sử lý nước.

Các đặc tính của nước ngầm:

Nhiệt độ của nước ngầm tương đối ổn định.
Độ đục thường thay đổi theo mùa.
Độ màu: Thường thì không có màu, độ màu gây ra do chứa các chất của acid humic.
Độ khoáng hoá thường không thay đổi.
Sắt và mangan thường có mặt với các hàm lượng khác nhau.
CO2 thường xâm thực với hàm lượng lớn.
Ôxi hoà tan thường không có.
H2S thỉnh thoảng có mặt trong nước ngầm.
NH4+ thường có mặt trong nước ngầm.
Nitrat, Silic có hàm lượng đôi khi cao.
Ít bị ảnh hưởng bởi các chất vô cơ và hữu cơ.
Clo có thể bị ảnh hưởng hoặc không bị ảnh hưởng tuỳ theo khu vực.
Vi sinh vật: Thường có vi khuẩn

Đặc điểm thứ nhất: Nước ngầm tiếp xúc trực tiếp và hoàn toàn với đất và nham thạch: nước ngầm có thể là các màng mỏng bao phủ các phần tử nhỏ bé của đất, nham thạch; là chất lỏng được chứa đầy trong các ống mao dẫn nhỏ bé giữa các hạt đất, đá; nước ngầm có thể tạo ra các tia nước nhỏ trong các tầng ngấm nước; thậm chí nó có thể tạo ra khối nước ngầm dày trong các tầng đất, nham thạch. Thời gian tiếp xúc của nước ngầm với đất và nham thạch lại rất dài nên tạo điều kiện cho các chất trong đất và nham thạch tan trong nước ngầm. Như vậy thành phần hoá học của nước ngầm chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hoá học của các tầng đất, nham thạch chứa nó.

Đặc điểm thứ hai: Các loại đất, nham thạch của vỏ quả đất chia thành các tầng lớp khác nhau. Mỗi tầng, lớp đó có thành phần hoá học khác nhau. Giữa các tầng, lớp đất, nham thạch thường có các lớp không thấm nước. Vì vậy nước ngầm cũng được chia thành các tầng, lớp khác nhau và thành phần hoá học của các tầng lớp đó cũng khác nhau.

Đặc điểm thứ ba: Ảnh hưởng của khí hậu đối với nước ngầm không đồng đều.

Nước ngầm ở tầng trên cùng, sát mặt đất chịu ảnh hưởng của khí hậu. Các khí hoà tan trong tầng nước ngầm này do nước mưa, nước sông, nước hồ… mang đến. Thành phần hoá học của nước ngầm của tầng này chịu ảnh hưởng nhiều của thành phần hoá học nước mặt do đó cũng chịu ảnh hưởng nhiều của khí hậu.

Trái lại, nước ngầm ở tầng sâu lại ít hoặc không chịu ảnh hưởng của khí hậu. Thành phần hoá học của nước ngầm thuộc tầng này chịu ảnh hưởng trực tiếp của thành phần hoá học tầng nham thạch chứa nó.

Đặc điểm thứ 4: Thành phần của nước ngầm không những chịu ảnh hưởng về thành phần hoá học của tầng nham thạch chứa nó mà còn phụ thuộc vào tính chất vật lý của các tầng nham thạch đó.

Ở các tầng sâu khác nhau, nham thạch có nhiệt độ và áp suất khác nhau nên chứa trong các tầng nham thạch đó cũng có nhiệt độ và áp suất khác nhau.

Vì vậy nước ngầm ở các tầng rất sâu có thể có áp suất hàng ngàn N/m2 và nhiệt độ có thể lớn hơn 3730K.

Đặc điểm thứ 5: Nước ngầm ít chịu ảnh hưởng của sinh vật nhưng chịu ảnh hưởng nhiều của vi sinh vật.

Ở các tầng sâu do không có Oxy và ánh sáng nên vi sinh vật yếm khí hoạt động mạnh, chi phối nhiều nên thành phần hóa học của nước ngầm. Vì vậy thành phần hoá học của nước ngầm chứa nhiều chất có nguồn gốc vi sinh vật.

2.2 Cấu trúc của một tầng nước ngầm.

Cấu trúc của một tầng nước ngầm được chia ra thành các tầng như sau:

– Bề mặt trên gọi là mực nước ngầm hay gương nước ngầm.

– Bề mặt dưới, nơi tiếp xúc với tầng đất đá cách thuỷ gọi là đáy nước ngầm. Chiều dày tầng nước ngầm là khoảng cách thẳng đứng giữa mực nước ngầm và đáy nước ngầm.

– Tầng thông khí hay nước tầng trên là tầng đất đá vụn bở không chứa nước thường xuyên, nằm bên trên tầng nước ngầm.

– Viền mao dẫn: là lớp nước mao dẫn phát triển ngay trên mặt nước ngầm.

– Tầng không thấm: là tầng đất đá không thấm nước.

2.3 Sự hình thành nước ngầm và các loại nước ngầm.

Nước trên mặt đất và trong ao, hồ, sông, biển gặp ánh sáng mặt trời bốc hơi thành hơi nước bay lên không trung, gặp lạnh hơi nước sẽ kết lại thành hạt to và rơi xuống thành mưa. Nước mưa rơi xuống mặt đất một phần chảy xuống sông, ao, hồ… một phần bốc hơi qua mặt đất, mặt nước và sự bốc thoát hơi qua lá, một phần ngấm dần xuống mặt đất đến tầng đất không thấm sẽ tích tụ lại thành nước ngầm. Sự hình thành nước ngầm trải qua rất nhiều giai đoạn. Các tác nhân có liên quan đến chu trình này bao gồm: bức xạ, trọng lực, sức hút phân tử và lực mao dẫn.

Hình thành nước ngầm do nước trên bề mặt ngấm xuống, do không thể ngấm qua tầng đá mẹ nên trên nó nước sẽ tập trung trên bề mặt, tùy từng kiến tạo địa chất mà nó hình thành nên các hình dạng khác nhau, nước tập trung nhiều sẽ bắt đầu di chuyển và liên kết với các khoang, túi nước khác, dần dần hình thành mạch ngước ngầm lớn nhỏ, tuy nhiên việc hình thành nước ngầm phụ thuộc vào lượng nước ngấm xuống và phụ thuộc vào lượng mưa và khả năng trữ nước của đất.

Tuỳ theo vị trí mà ta có thể chia nước ra làm 3 loại:

– Nước ngấm: là tầng ở trên hết, bên trên nó không có tầng không thấm nước chặn lại gọi là tầng nước ngấm. Đặc điểm của tầng nước ngấm là thay đổi rất nhanh theo thời tiết: mưa nhiều thì mực nước lên cao, nắng lâu thì mực nước hạ xuống. Ao giếng của nhân dân nếu đào cạn chỉ đến tầng nước ngấm thì mùa khô thường hết nước. Tầng nước ngầm này được tạo ra từ nước trên mặt đất thấm xuống, sau đó lại được tháo tiêu ra sông, hồ.

– Nước ứ: trên tầng thấm nước có một tầng đất khó thấm nước, khi mưa to tầng đất này hút không kịp, nước tạm thời ứ lại trên tầng đất này và tạo thành nước ứ. Sau đó, một phần nước ứ tiếp tục thấm xuống, một phần bốc hơi, lượng nước ứ sẽ ít dần đi hoặc mất hẳn. Nước tầng này cách biệt hoàn toàn với nước mặt đất và hầu như không giao lưu

– Nước giữa tầng: nước trong tầng thấm nước nằm giữa 2 tầng không thấm gọi là nước giữa tầng. Nước giữa tầng ở sâu và nằm giữa 2 tầng đất sét nên lượng nước không thay đổi nhiều theo mùa nắng và chất lượng nước tốt.

2.4 Tầm quan trọng của nước ngầm

Nước ngầm phục vụ cho sinh hoạt như: ăn, uống, tắm giặt, sưởi ấm….

Nước ngầm phục vụ cho nông nghiệp: tưới hoa màu, cây ăn quả, các cây có giá trị kinh tế cao.

Con người có thể sử dụng nguồn nước ngầm để mở rộng các hoạt động sản xuất công nghiệp.

Nước ngầm có chất lượng tốt còn được sử dụng để chữa bệnh. Nước ngầm phục vụ cho sinh hoạt sẽ giảm hẳn các bệnh do nguồn nước mặt bị ô nhiễm như: đường ruột, bệnh phụ khoa, bệnh ngoài da…

Sử dụng nước ngầm giúp con người được giải phóng sức lao động do phải lấy nước xa nhà, tiết kiệm chi phí “đổi nước”, tiết kiệm thời gian nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.5 Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước ngầm.

2.5.1 pH

Giá trị pH là một trong những yếu tố quan trọng nhất để xác định nước về mặt hóa học. pH là chỉ tiêu quan trọng đối với mỗi giai đoạn trong môi trường môi trường, là một chỉ tiêu cần phải kiểm tra đối với chất lượng nước. pH là yếu tố môi trường ảnh hưởng tới tốc độ phát triển và giới hạn sự sinh trưởng của sinh vật trong môi trường nước,sự thay đổi giá trị pH có thể dẫn tới sự thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình hòa tan hoặc kết tủa, thúc đẩy hay ngăn chặn phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nước. Và được định nghĩa bằng biểu thức: pH = -lg [H+] ( Đặng Kim Chi, 2001)

Khi pH =7 nước có tính trung tính
Khi pH <7 nước có tính axit
Khi pH >7 nước có tính kiềm ( Trịnh Xuân Lai, 2003)

2.5.2 Độ cứng.

Độ cứng: Độ cứng là đại lượng biểu thị hàm lượng các các ion hóa trị 2 mà chủ yếu là ion Ca2+ và Mg2+. Độ cứng làm tiêu hao nhiều xà phồng khi giặc giũ, đóng rắn trong các thành ống dẫn của nồi hơi làm giảm khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị, làm tăng tính ăn mòn do tăng nồng độ ion H+. Độ cứng bao gồm 3 loại:

+ Độ cứng toàn phần biểu thị tổng hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ có trong nước;

+ Độ cứng tạm thời là hàm lượng các muối của ion HCO3-, CO32-, với Ca2+ và Mg2+;

+ Độ cứng vĩnh cữu là hàm lượng các muối của ion Cl-, SO42-, HSO4- với Ca2+ và Mg2+.

2.5.3 Clorua (Cl-).

2.5.4 hàm lượng đạm Nitrat (N-NO3).

Nitrat là dạng oxy hóa cao nhất trong chu trình nito và thường đạt đên những nồng độ đáng kể trong các giai đoạn cuối cùng của quá trình oxy hóa sinh học (Nguyễn Khắc Cường, 2002 ). Ngoài ra nitrat tìm thấy trong các thủy vực là sản phẩm của quá trình nitrat hóa hay do cung cấp từ nước mưa khi trời có sấm chớp.

Trong thủy vực có nhiều đạm ở dạng N-NO3- ,chứng tỏ quá trình oxy hóa đã kết thúc. Tuy vậy, các nitrat chỉ bền trong điều kiện hiếu khí. Trong điều kiện yếm khí N-NO3- bị khử thành nito tự do tách ra khỏi nước, loại trừ được sự phát triển của tảo và các loại thực vật khác sống trong nước. Nhưng mặt khác khi hàm lượng nitrat trong nước khá cao có thể gây độc hại với người, vì khi vào điều kiện thích hợp, ở hệ tiêu hoa chúng sẽ chuyển hóa thành nitrit kết hợp với hồng cầu tạo thành chất không vận chuyển oxy, gây bệnh xanh xao thiếu máu ( Đặng Kim Chi,2001 ).

2.5.5 Hàm lượng Sunfat (SO42-).

Sunfat là một chỉ tiêu tiêu biểu của vùng nước nhiễm phèn. Sunfat cao, nước sẽ có vị chát, gây bệnh tiêu chảy, và gây xâm thực mạnh trên các công trình xây dựng. Ngoài ra, sunfat sẽ kết hợp với ion Ca2+ để tạo thành cặn cứng bám trên thành các thiết bị trao đổi nhiệt.

2.5.6 Sắt (Fe).

Sắt là kim loại phong phú tạo nên vỏ trái đất. Sắt hiện diện ở hầu hết các nguồn nước thiên nhiên:

Khi trong nước có chứa các ion sắt sẽ gây đục và màu trong nước do: Fe 2+ chuyển thành Fe 3+ (màu nâu đỏ).

Đồng thời ảnh hưởng đến độ cứng, duy trì sự phát triển của một số vi khuẩn gây thoái rửa trong hệ thống phân phối nước. Hàm lượng sắt có thể xuất hiện trong nước là do nó hòa tan trong nước ngầm (dưới dạng Fe2+), hay có trong nước thải công nghiệp.

Sắt thường có trong nước ngầm dưới dạng muối tan hoặc phức chất do hòa tan từ các lớp khoáng trong đá hoặc do ô nhiễm bề mặt nước bởi nước thải (Đặng Kim Chi,1998). Nước có hàm lượng sắt cao (lớn hơn 0.3 mg /l) gây trở ngại rất lớn cho việc sử dụng trong sinh hoạt. Nước đục do sắt có màu vàng nhiều cặn và thức ăn của các loại vi khuẩn ưa sắt.

2.5.7 Ecoli.

E.coli được xem là một chỉ tiêu đánh giá sự nhiễm bẩn của nguồn nước và đánh giá hiệu quả của việc khử trùng. Khi dùng nước có nhiễm khuẩn E.coli, nó gây cho người một số bệnh như: tả, lỵ, thương hàn, tiêu chảy…,nặng có thể gây tử vong. Những hạt chất lơ lững, gây ra độ đục trong nước thường có bề mặt hấp phụ các kim loại độc, các vi sinh vật gây bệnh. Chính những hạt này cản trở quá trình diệt trùng của chất diệt trùng khi cần sử lý nước ăn.

II. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC NGẦM THÀNH NƯỚC CẤP SINH HOẠT

Hiện nay, do tình hình nóng lên toàn cầu nên nguồn nước ngày càng cạn kiệt và khan hiếm, chính vì thế mà nguồn nước mặt không đáp ứng đủ nhu cầu sinh hoạt của con người. Do đó, chúng ta đang hướng tới việc sử dụng nguồn nước ngầm để đáp ứng kịp thời nhu cầu sinh hoạt. Tuy nhiên, nếu muốn khai thác và sử dụng nguồn nước ngầm cần phải có biện pháp thăm dò, khi cần thiết phải xin giấy phép của các cơ quan có thẩm quyền để khai thác nguồn nước. Nước ngầm sau khi khai thác cần phải được xử lý mới đạt được các tiêu chí về nước cấp sinh hoạt theo TCVN rồi mới được sủ dụng, và sau đây là các phương pháp để xử lý nước ngầm hiệu quả:

Xử lý nước ngầm bằng phương pháp cơ học với nước từ nguồn được bơm cấp 1 phun qua giàn mưa thành những tia nhỏ để oxy trong không khí tác động với Fe2+ thành Fe3+. Khi đó nước dàn mưa sẽ dẫn đi lắng lọc ở các bể lọc chứa các chất lọc thường là cát, đá, than hoạt tính…
Xử lý nước ngầm bằng phương pháp hóa học là sử dụng hóa chất dung hòa tạo ra các phản ứng trong quá trình xử lý nước. Nếu như độ đục của nước lớn thì có thể chứa nhiều các chất hữu cơ và sinh vật phù du. Khi đó chúng ta sử dụng phèn và chất tạo keo tụ để làm ngưng tạp chất. Khi nước chứa nhiều loại ion kim loại xử lý bằng vôi, soda hoặc dùng các phương pháp trao đổi các ion. Nếu nước chứa nhiều các độc tố H2S thì chúng ta xử lý bằng phương pháp oxy hóa, clo hóa, phèn. Sử dụng các hợp chất chứa clo, ozon để khử trùng nguồn nước chứa nhiều vi khuẩn. Độ kềm trong nước nhỏ làm cho quá trình keo tụ bị khó khăn làm cho nước có mùi vị thì chúng ta phải kiềm hóa bằng NH3.
Xử lý nước ngầm bằng phương pháp vi sinh đang được nghiên cứu và có một số nơi đã áp dụng. Các chủng vi sinh sẽ được nuôi cấy và đưa vào trong quá trình xử lý nước với liều lượng nhỏ. Tuy nhiên cho đến nay thì những kết quả đạt được hiện vẫn chưa được công bố rộng rãi. Tùy thuộc vào nguồn nước làm nguyên liệu cho những lĩnh vực khác nhau mà người ta thường sẽ áp dụng những phương pháp khác nhau để xử lý nguồn nước cấp đó. Thông thường thì người ta sẽ kết hợp cả hai phương pháp cơ học và hóa học để xử lý nguồn nước ngầm