Hiệu quả xử lý nước mặt ô nhiễm hữu cơ bằng phương pháp keo tụ kết hợp than hoạt tính và màng lọc

Chuyên đề II, tháng 8 năm 201736
Trên thế giới, xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nguồn 
nước đã được nghiên cứu và phương pháp sử dụng 
than hoạt tính để hấp phụlà một trong số các giải pháp 
được đề xuất [1; 2; 3]. Than hoạt tính có diện tích bề 
mặt riêng lớn, cơ chế quá trình bao gồm cả hấp phụ vật 
lý và hóa học gây ra bởi lực Van de Waals, lực liên kết 
cộng hóa trị, lực liên kết ion... Nghiên cứu sử dụng than 
hoạt tính kết hợp quá trình sinh học chỉ ra rằng trên 
80% lượng carbon hữu cơ được loại bỏ [4; 5]. Bên cạnh 
đó, công nghệ màng lọc cũng được sử dụng rộng rãi để 
xử lý nước thải và nước cấp. Màng lọc có khả năng giữ 
lại cặn lơ lửng, hạt keo, ion, vi khuẩn... Nguyên lý lọc 
màng dựa trên sự phân tách các phân tử trong nước 
qua lớp vách ngăn nhờ lực tác dụng. Như vậy, với hiệu 
quả xử lý cao, năng lượng tiêu thụ thấp, nhỏ gọn, công 
nghệ màng được xem là một trong những quá trình xử 
lý hứa hẹn nhất [6].
Ngoài ra, hiện nay có nhiều nghiên cứu được thực 
hiện để nâng cao hiệu quả loại bỏ các hợp chất hữu cơ 
tự nhiên trong nguồn nước. Một trong các hướng đó 
1. Đặt vấn đề
Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất 
nước bên cạnh việc thúc đẩy nền kinh tế phát triển 
cũng mang lại những hệ lụy về môi trường. Ô nhiễm 
môi trường nói chung, ô nhiễm nguồn nước nói riêng 
đang có chiều hướng gia tăng mạnh mẽ. Nguồn nước 
mặt vừa đóng vai trò quan trọng trong cấp nước vừa 
là nơi tiếp nhận nước thải, chất thải từ các đô thị, khu 
công nghiệp, nông thôn 
Sự gia tăng thành phần hữu cơ trong nước đặc biệt 
là các chất hữu cơ bền vững, khó xử lý là một trong 
những nguyên nhân dẫn đến sự hình thành hợp chất 
trihalometan (THMs) và các sản phẩm phụ trong quá 
trình xử lý nước uống. Với công nghệ xử lý hiện nay 
tại các nhà máy nước trên toàn quốc, chất hữu cơ hầu 
như không được loại bỏ; trong khi đó, công nghệ khử 
trùng thường sử dụng Clo và hợp chất Clo, dẫn đến 
khả năng tạo thành THMs gây hại cho sức khỏe con 
người[1]. 
HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC MẶT Ô NHIỄM HỮU CƠ BẰNG 
PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ KẾT HỢP THAN HOẠT TÍNH 
VÀ MÀNG LỌC
1Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh
Nguyễn THị THanh Phượng 
Nguyễn Hoàng Lan THanh 
Nguyễn THị Quỳnh Sa 
Nguyễn Bảo Trân 
Hồ THị THiên Kim
(1)
TÓM TẮT
Nguồn nước mặt bị ô nhiễm hữu cơ là một trong những nguyên nhân gây khó khăn cho quá trình xử lý 
nước cấp. Các công nghệ truyền thống như keo tụ, lắng, lọc, khử trùng không đáp ứng tiêu chuẩn cấp nước 
sinh hoạt nếu hàm lượng chất hữu cơ trong nước đầu vào cao. Công nghệ màng lọc kết hợp than hoạt tính 
được xem là giải pháp hiệu quả cho xử lý nước mặt ô nhiễm hữu cơ nồng độ cao.
Thí nghiệm Jartest trên 3 loại phèn sắt, nhôm và PACl chỉ ra rằng phèn PACl có hiệu quả keo tụ tốt nhất.
Kết quả nghiên cứu trên mô hình kết hợp màng lọc và PAC cho thấy hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm đạt được 
cao nhất khi nồng độ than hoạt tính sử dụng là 20 mg/L. Hiệu suất loại bỏ COD, độ đục và UV254 lần lượt là 
86,07%; 79,9% và 52,19%. 
Từ khóa: Màng lọc, bột than hoạt tính, nước mặt, chất hữu cơ.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
Chuyên đề II, tháng 8 năm 2017 37
Nước mặt đầu vào và đầu ra của quá trình keo tụ 
được phân tích các thông số như pH, độ đục, COD và 
UV254.
Mô hình hấp phụ than hoạt tính
Thí nghiệm được thực hiện trên các beaker dung 
tích 1.000 mL.Bột than hoạt tính có thể tích lỗ rỗng 
0,56 – 1,2 cm3/g và diện tích bề mặt 500 – 1500 m2/g.
Nước mặt sau khi keo tụ được cho vào beaker để 
hấp phụ chất ô nhiễm.Các thông số tối ưu được xác 
định gồm pH, thời gian hấp phụ và liều lượng than. 
Sự thay đổi giá trị của các thông số trên được liệt kê 
sau đây:
• pH thay đổi từ 3; 4; 5; 6; 6,5; 7; 7,5 và 8.
• Liều lượng than thay đổi 5; 10; 20; 30; 40 và 50 
mg/L. Sau các khoảng thời gian hấp phụ: 15; 30; 45; 60 
và 90 phút lấy mẫu nước đầu ra, phân tích các thông số 
độ đục, COD, UV254.
Mô hình màng lọc
Thí nghiệm thực hiện trên hệ thống màng gồm 
bơm cao áp, màng lọc sợi rỗng, hệ thống van, dây dẫn, 
kẹp. Màng lọc sợi rỗng được chế tạo từ poly vinylidene 
fluoride (PVDF) có khả năng chịu áp lực cao, tổng 
diện tích lọc là 46,5 cm2, kích thước lỗ màng là 0,1µm, 
bao gồm 15 sợi. Dòng chảy đi bên ngoài ống thấm vào 
trong (outside-in).
là sử dụng than hoạt tính bổ sung vào hệ thống màng 
lọc UF/MF [7]. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ 
các chất hữu cơ, giảm thiểu sự tắc nghẽn trong màng 
do đó làm tăng khả năng xử lý của hệ thống [8]. Tuy 
nhiên, tại Việt Nam việc ứng dụng công nghệ màng 
lọc và than hoạt tính để xử lý nước cấp còn khá mới 
mẻ. Trong nghiên cứu này, màng MF kết hợp với bột 
than hoạt tính (PAC) được sử dụng để xử lý nước sông 
làm nguồn cấp nước cho sinh hoạt của người dân.
2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Nước mặt đầu vào mô hình keo tụ được lấy tại trạm 
bơm Hòa Phú của Nhà máy nước Tân Hiệp.Thành phần 
và tính chất nước mặt được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1. THành phần và tính chất nước mặt sử dụng trong 
nghiên cứu
STT THông số Giá trị
1. pH 6,5 – 7,2
2. Độ đục (NTU) 74 – 76 
3. COD (mg/L) 13,1 – 13,5 
4. UV254 (abs/m) 0,42 – 0,45 
2.2. Mô hình nghiên cứu
Mô hình keo tụ
Mô hình gồm các beaker dung tích 1.000 mL được 
đặt trong hệ thống khuấy từ như hình 1. Ba loại phèn 
được sử dụng trong quá trình keo tụ gồm phèn nhôm, 
phèn sắt và phèn PACl. Đối với mỗi loại phèn tiến 
hành xác định các thông số tối ưu gồm: pH và liều 
lượng hóa chất. Mô hình nghiên cứu và điều kiện thí 
nghiệm được trình bày ở Hình 1 và Bảng 2.
Bảng 2. Điều kiện nghiên cứu thí nghiệm keo tụ
THí nghiệm Phèn sắt Phèn nhôm Phèn PACl
pH tối ưu 4; 5; 5,5; 6; 
6,5; 7; 7,5; 8
5; 5,5; 6; 6,5; 
7; 7,5
4; 5; 5,5; 6; 
6,5; 7; 7,5; 8
Liều lượng 
tối ưu 
(mg/L)
2; 5; 10; 20; 
30; 40; 50
2; 5; 10; 20; 
30; 40; 50
2; 5; 10; 20; 
30
▲Hình 1. Mô hình Jartest
▲Hình 2. Mô hình 
màng lọc
Nước sau hấp phụ than hoạt tính được đưa qua hệ 
thống lọc nhờ bơm nhu động. Tại đây, nước từ bên 
ngoài thấm vào bên trong các sợi rỗng, dòng thấm với 
các cấu tử có kích thước lớn hơn 0,1 µm được giữ lại, 
các cấu tử nhỏ hơn 0,1 µm được thấm qua màng và thu 
ra ở phần trên của màng lọc.
Xác định thông lượng tối ưu
Nghiên cứu với thông lượng thay đổi 200, 300, 400, 
500 và 600 L/m2. Lấy mẫu nước sau lọc tương ứng của 
mỗi thông lượng, xác định các chỉ tiêu độ đục, COD 
và UV254.
Chuyên đề II, tháng 8 năm 201738
Phèn sắt
pH keo tụ tối ưu của phèn sắt là 5,5. Hiệu quả xử lý 
COD và UV254 cao nhất lần lượt là 29,77% và 30,24%.
Hàm lượng phèn ảnh hưởng đến quá trình keo tụ các 
chất ô nhiễm trong nước mặt. Khi hàm lượng phèn 
nhỏ thì lượng này không đủ để phản ứng tạo bông hiệu 
quả. Ngược lại, nếu hàm lượng phèn quá cao thì các 
bông cặn trở về trạng thái ban đầu (lơ lửng) do hiện 
tượng tái ổn định hạt keo. Hiệu quả keo tụ cao nhất 
đạt được khi lượng phèn FeCl3 sử dụng là 30 mg/L.
Phèn nhôm
Hiệu suất loại bỏ COD và UV254 tại pHopt = 6 lần 
lượt là 28,24% và 32,14%. Khi pH < 5,5, Al(OH)3 có tác 
dụng như là một chất kiềm, hàm lượng ion Al3+ trong 
nước tăng nhiều, bông cặn hình thành ít, chất hữu 
cơ và cặn lơ lửng không lắng được. Khi pH > 7,5 thì 
Al(OH)3đóng vai trò như một axit, làm cho hiệu quả 
keo tụ bị hạn chế. Đồ thị Hình 4 cho thấy, liều lượng 
phèn nhôm tối ưu là 40 mg/L. Tương tự như phèn sắt, 
khi hàm lượng phèn cho vào bể phản ứng quá thấp 
hoặc quá cao thì hiệu quả keo tụ không cao. 
Xác định ảnh hưởng của PAC lên màng 
• Mô hình MF: Cho nước sau keo tụ qua màng lọc 
MF.
• Mô hình MF/PAC: Cho nước sau keo tụ qua lọc 
than hoạt tính, nước đầu ra được đưa qua màng lọc 
MF.
Than hoạt tính được sử dụng với pH, liều lượng và 
thời gian hấp phụ tối ưu xác định từ thí nghiệm hấp 
phụ. Màng lọcđược vận hành với các thông số tối ưu 
đã khảo sát. Đánh giá hiệu quả xử lý của các chỉ tiêu 
ô nhiễm như COD, độ đục, UV254 sau khi qua 2 hệ 
thống MF và MF/PAC.
2.3. Phương pháp phân tích
Các phương pháp phân tích thực hiện theo 
Standard Methods for the Examination of Water and 
Wastewater 21st, APHA/AWWA/WEF, 2005 và Tiêu 
chuẩn Việt Nam. 
3. Kết quả nghiên cứu
3.1. Mô hình keo tụ
▲Hình 3. Biến thiên hiệu quả xử lý COD và UV254 theo pH 
và liều lượng phèn sắt
▲Hình 4. Biến thiên hiệu quả xử lý COD và UV254 theo pH 
và liều lượng phèn nhôm
UV254 UV254
UV254 UV254
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
Chuyên đề II, tháng 8 năm 2017 39
nghiệm cho thấy, liều lượng than 20 mg/L và thời gian 
hấp phụ 30 phút thì hiệu quả khử các chất ô nhiễm cao 
nhất; độ đục, COD và UV254 được loại bỏ lần lượt là 
58,83%; 51,52% và 43,18%. 
3.3. Mô hình màng lọc
Xác định thông lượng tối ưu
Thí nghiệm xác định thông lượng tối ưu chỉ ra 
rằngthông lượng 200 L/m2.h cho hiệu quả khử các chất 
ô nhiễm tốt nhất. Thông lượng càng tăng thì hiệu suất 
xử lý càng giảm. Khi thông lượng lớn hơn 400 L/m2.h 
thì sự loại bỏ các chất ô nhiễm giảm, đặc biệt là đối với 
thông số COD. 
Phèn PACl
pH ảnh hưởng đến quá trình thủy phân của PACl 
để tạo ra Al(OH)3 là nhân tố quyết định hiệu quả quá 
trình. Do đó, khi pH quá cao hoặc quá thấp thì hiệu 
quả keo tụ giảm dần. Liều lượng phèn PACl tối ưu là 
10 mg/L, hiệu quả xử lý COD, độ đục và UV254 đạt 
được lớn nhất lần lượt là 50%; 98,42% và 49,76%.
▲Hình 5. Biến thiên hiệu quả xử lý COD và UV254 theo pH 
và liều lượng phèn PACl
Kết quả khảo sát trên 3 loại phèn Al2(SO4)3, FeCl3, 
PACl thì PACl là phù hợp nhất. Bên cạnh đó, quá trình 
thí nghiệm cho thấy phèn PACl có nhiều ưu điểm so 
với 2 loại phèn kia như bông cặn hình thành lớn, chắc, 
lắng nhanh, ít tạo cặn nổi trên mặt nước.
3.2. Mô hình hấp phụ 
 Hình 6 cho thấy, hiệu quả hấp phụ các chất ô 
nhiễm đạt được cao nhất ở pH = 7, khi đó hiệu suất 
khử độ đục, COD, UV254 lần lượt là 53,33%; 46,97% và 
40,91%. Trong khoảng pH >7,5sự oxi hóa Fe2+ thành 
Fe3+diễn ra dẫn đến hiệu suất hấp phụ giảm. Khi ở pH 
< 6 hiệu suất thấp là do sự hấp phụ cạnh tranh của ion 
H+ xuất hiện trong nước. 
Khảo sát hiệu quả hấp phụ của than hoạt tính với 
liều lượng thay đổi 5; 10; 20; 30;40 và 50 mg/L tại thời 
gian hấp phụ 15; 30; 45; 60 và 90 phút. Kết quả thí 
▲Hình 6. Hiệu quả hấp phụ chất ô nhiễm theo pH
▲Hình 7. Biến thiên nồng độ và hiệu quả xử lý các chất ô 
nhiễm theo thông lượng 
UV254
UV254
Chuyên đề II, tháng 8 năm 201740
hàm lượng chất hữu cơ trong nước. Hiệu quả xử lý của 
hệ thống kết hợp tăng do những yếu tố sau: sự hấp phụ 
vật lý - hóa học của hợp chất hữu cơ tốt hơn bởi PAC, 
hiệu quả loại bỏ sinh học tốt hơn do thời gian tiếp 
xúc lâu dài giữa vi sinh vật và cơ chất (Tian và cộng 
sự, 2008) [7]. Do đó, mô hình MF/PAC có hiệu quả 
xử lý COD cao hơn khoảng 30% so với mô hình MF. 
Hiệu quả xử lý UV254
Nồng độ UV254 đầu vào là 0,21 – 0,25 abs/m; sau 
khi qua 2 mô hình MF và MF/PAC thì còn lại 0,167 ± 
0,008 abs/m và 0,109 ± 0,012 abs/m. Hiệu quả xử lý của 
2 mô hình lần lượt là27,27 ± 3,18% và52,19 ± 4,2%. Kết 
quả nghiên cứu khá tương đồng với nghiên cứu của 
Omer và cộng sự (2008) [6], Tian và cộng sự (2008) [7].
Hiệu suất loại bỏ UV254 của thí nghiệm sử dụng 
than hoạt tính cao gấp hai lần so với thí nghiệm không 
sử dụng than hoạt tính. Điều này cho thấy có thể giả 
định rằng các hợp chất hữu cơ tự nhiên được loại bỏ 
phần lớn ở vùng hấp phụ; chất hữu cơ kỵ nước và khối 
lượng phân tử thấp được loại bỏ do sự hấp phụ của 
than hoạt tính; các chất có khối lượng phân tử lớn hơn 
được xử lý ở màng lọc MF (Oh và cộng sự, 2007) [5]. 
Kết quả nghiên cứu xử lý nước mặt ô nhiễm hữu 
cơ bằng quá trình keo tụ, màng lọc và hấp phụ kết hợp 
màng lọc được trình bày ở Bảng 3. Nước mặt sau khi 
qua keo tụ tiếp tục được xử lý bằng MF và MF/PAC.
Kết quả cho thấy quá trình MF/PAC cho hiệu quả khử 
độ đục, COD tăng từ 20% - 30% so với quá trình MF. 
Các chất hữu cơ được loại bỏ phần lớn ở quá trình 
hấp phụ, sau đó được xử lý bổ sung ở màng lọc MF. 
Quá trình hấp phụ cũng giúp kiểm soát sự tắc nghẽn 
ở màng lọc.
Xác định ảnh hưởng của PAC đối với quá trình 
màng lọc
Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trên 2 mô hình MF 
và MF/PAC được trình bày trong Hình 8.
▲Hình 8. So sánh hiệu quả xử lý chất ô nhiễm của mô hình 
MF và MF/PAC
Hiệu quả xử lý độ đục
Độ đục đầu vào có giá trị dao động từ 1,2 - 1,6 
NTU, đầu ra mô hình MF và MF/PAC lần lượt là 0,438 
± 0,032 NTU và 0,186 ± 0,011 NTU; hiệu quả xử lý đạt 
68,57 ± 2,02% và 86,07 ± 1,008%. Than hoạt tính đóng 
vai trò như bộ lọc trước khi vào hệ thống màng, do đó 
các chất lơ lửng, cặn hữu cơ gây nên độ đục được giữ lại 
ởbể hấp phụ [6, 7], dẫn đến hiệu quả xử lý của mô hình 
MF/PAC cao hơn khoảng 20% so với mô hình MF. 
Hiệu quả xử lý COD
Nồng độ COD đầu vào dao động từ 6,4 - 6,8 mg/L, 
đầu ra mô hình MF và MF/PAC lần lượt là 3,3 ± 0,245 
mg/L và 1,32 ± 0,13 mg/L. Hiệu quả xử lý tương ứng 
là 50,18 ± 2,97% và 79,9 ± 1,67%. Hệ thống màng vi 
lọc kết hợp than hoạt tính có khả năng kiểm soát được 
Bảng 3. So sánh hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm
Mô hình Hiệu quả xử lý (%)
Chất ô nhiễm PACl MF MF/PAC
Độ đục 98,42 68,57 86,07
COD 50,0 50,18 79,90
UV254 49,76 27,27 52,19
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy, ứng dụng màng lọc 
MF kết hợp than hoạt tính có khả năng xử lý chất hữu 
cơ ô nhiễm trong nguồn nước. Hiệu suất xử lý các chất 
ô nhiễm phụ thuộc vào hàm lượng than hoạt tính sử 
dụng. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng so với quá trình 
màng lọc thông thường thì quá trình MF/PAC có thể 
cải thiện đáng kể việc loại bỏ các chất hữu cơ, đặc biệt 
là UV254 và COD.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học 
Quốc gia TP.Hồ Chí Minh trong khuôn khổ Đề tài mã 
số C2015-24-03/HĐ-KHCN■
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
Chuyên đề II, tháng 8 năm 2017 41
5. Oh H.K., S. Takizawa, S. Ohgaki, H. Katayama, K. 
Oguma, and M. Yu, 2007, Removal of organics and viruses 
using hybrid ceramic MF system without draining PAC, 
Desalination, vol.202(1-3), 191-198.
6. Omer S., S.Yaxi, H.Ailing, and G.Ping, 2008, Effect of PAC 
addition on MBR process for drinking water treatment, 
Separation and Purification Technology, vol. 58, 320–327. 
7. Tian J-Y, H. Liang, Y-L. Yang, S. Tian, and G-B Li, 2008, 
Membrane adsorption bioreactor (MABR) for treating 
slightly polluted surface water supplies: As compared 
to membrane bioreactor (MBR), Journal of Membrane 
Science, vol. 325, 262–270.
8. Yali S., B. Dong, N.Gao and X. Ma, 2015, Powder Activated 
Carbon Pretreatment of a Microfiltration Membrane for 
the Treatment of Surface Water, Int. J. Environ. Res. Public 
Health, vol. 12, 11269 – 11277.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Cheng W., A.D.Seyed, and T.Karanfil, 2005, Adsorption 
of dissolved natural organic matter by modified activated 
carbons, Water Research, vol. 39, 2281–2290.
2. Jacangelo J.G., J. DeMarco, D.M. Owen, and S.J. Randtke, 
1995, Selected processes for removing NOM: an overview, 
J.-Am. Water Works Assoc., vol 87 (1), 64–77.
3. Dastgheib S.A., T.Karanfil, and W.Cheng, 2004, 
Tailoringactivated carbons for enhanced removal of 
natural organicmatter from natural waters, Carbon, 
vol.42, 547–557.
4. Kim H-S., S.Takizawa, and S.Ohgaki, 2007, Application of 
microfiltration systems coupled with powdered activated 
carbon to river water treatment, Desalination, vol. 202 (1-
3), 271-277.
THE EFFICIENCY OF THE POLLUTED SURFACE WATER TREATMENT 
USING THE COMBINATION OF COAGULATION, ACTIVATED CARBON 
AND MEMBRANE
Nguyễn THị THanh Phượng, Nguyễn Hoàng Lan THanh 
Nguyễn THị Quỳnh Sa, Nguyễn Bảo Trân, Hồ THị THiên Kim
Institute for Environment and Resources (IER) 
Vietnam National University – Hochiminh City (VNU-HCM)
ABSTRACT
Surface water contaminated organic matter is one of the causes of problems for drinking water treatment 
processes. The traditional technologies such as flocculation, sedimentation, filtration, disinfection do not meet 
the standards for drinking water if organic matter content is high in the initial water. Membrane filtration 
technology combines withpowdered activated carbon (PAC) is regarded as one of the most effective solution 
for high organic matter treatment.
Jartest experiments on 3 types of coagulant include ferric chloride, aluminum sulfate, and poly aluminium 
chloride (PACl) indicate that PACl has a maximum efficiency. Research results in MF-PAC system show that 
the highest removal efficiency of pollutants reached when the concentration of powdered activated carbon 
used is 20 mg/L. The removal efficiencies of COD, turbidity, and UV254are 86.07%; 79.9%; and 52.19%, 
respectively.
Key words: Membrane, powdered activated carbon, surface water, organic matter.