Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu ứng dụng wave trong thiết kế cấu hình hệ thống lọc nước lợ quy mô nhỏ sử dụng công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) đạt hiệu quả thu hồi và chất lượng nước phục vụ nhu cầu nước uống tại các trường học thuộc Ba

TỔNG QUAN

Tổng quan lý thuyết

2.1.1 Thẩm thấu ngược và các công nghệ lọc nước lợ

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các công nghệ tiên tiến về lọc nước cũng ra đời để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Lọc nano, siêu lọc (UF), thẩm thấu ngược (RO) là ba công nghệ lọc màng được nhắc đến nhiều nhất trong lĩnh vực lọc nước hiện nay Kể từ khi xuất hiện và phát triển, công nghệ thẩm thấu ngược (RO) và siêu lọc (UF) đã được biết đến như những công nghệ có hiệu quả cao vào cuối những năm 1950 và đầu năm 1960, với phạm vi ứng dụng liên tục mở rộng Ban đầu, công nghệ RO được áp dụng cho khử mặn nước biển và nước lợ áp dụng trong các ngành công nghiệp để tiết kiệm nước, giảm năng lượng tiêu thụ, kiểm soát ô nhiễm và thu hồi các vật liệu hữu ích từ các dòng thải đã tạo ra các ứng dụng mới hấp dẫn về mặt kinh tế Ngoài ra, những tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ sinh học và dược phẩm, cùng với những tiến bộ trong phát triển về công nghệ đã biến công nghệ RO trở thành một bước tiến quan trọng so với công nghệ chưng cất giúp tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ sử dụng của sản phẩm [20]

Thẩm thấu là quá trình tự nhiên, trong đó nước chảy qua màng bán thấm từ dung dịch có nồng độ chất rắn hòa tan thấp sang dung dịch có nồng độ chất rắn hòa tan cao Quá trình thẩm thấu dừng khi cân bằng nồng độ ở hai phía của màng được thiết lập Sau khi đạt cân bằng, sự chênh lệnh mực nước giữa hai bên màng tương ứng với áp suất thẩm thấu của dung dịch lúc này ở trạng thái cân bằng (Hình 2.1) Áp suất thẩm thấu (𝜋) là một hàm của nồng độ chất rắn hòa tan, dao động từ 0,6 psi đến 1,1 psi cho mỗi 100 mg TDS/L Ví dụ, nước lợ có nồng độ 1500 mg TDS/L sẽ có áp suất thẩm thấu khoảng

15 psi, nước biển có nồng độ 35 000 mg TDS/L sẽ có áp suất thẩm thấu ở mức 350 psi [36] Áp suất thẩm thấu được tính theo công thức:

Trong đó: π : áp suất thẩm thấu (atm) n : số mol chất tan (mol)

Hiện nay, khả năng loại bỏ muối của màng RO đã được cải thiện trong khi nhu cầu về chi phí vận hành hệ thống lọc RO khá thấp Màng RO loại bỏ hầu hết các muối hòa tan và các phân tử vô cơ, cũng như các phân tử hữu cơ có khối lượng phân tử lớn Hiệu quả loại bỏ muối hòa tan thường đạt từ 95% đến lớn hơn 99%, tùy thuộc vào đặc trưng màng, nhiệt độ và thiết kế hệ thống RO Công nghệ RO được ứng dụng rất nhiều và đa dạng, bao gồm khử mặn nước biển hoặc nước lợ, xử lý nước thải, chế biến thực phẩm và đồ uống, phân tách y sinh (biomedical separation), lọc nước uống cho hộ gia đình và xử lý nước dùng trong công nghiệp Công nghệ RO thường được ứng dụng trong sản xuất nước siêu tinh khiết ứng dụng trong công nghiệp bán dẫn, công nghiệp điện (lò hơi nước cấp), và các ứng dụng trong y tế và phòng thí nghiệm nghiên cứu chuyên sâu Ứng dụng lọc RO trước khi xử lý với nhựa trao đổi ion (IX) có thể giúp giảm đáng kể chi phí vận hành và tần suất bảo dưỡng hệ thống lọc nước Áp suất xuyên màng đối với hệ thống RO thường nằm trong khoảng 75 psi (5 bar) khi lọc nước lợ và lớn hơn 1.200 psi (84 bar) khi lọc nước biển [19]

So sánh khả năng loại bỏ với các loại màng khác màng lọc RO có khả năng loại bỏ hầu hết các chất rắn hòa tan cũng như chất rắn lơ lửng Màng lọc NF ngoài khả năng thẩm thấu phõn tử nước cũn cho phộp cỏc ion cú kớch thước nhỏ hơn 0.001 àm đi qua Màng lọc UF (màng siờu lọc) cho phộp cả cỏc ion nhỏ hơn 0.01 àm đi qua (Hỡnh 2.2) Trong thực tế, các công nghệ sử dụng màng lọc khác nhau được kết hợp để tăng hiệu quả lọc Ví dụ, công nghệ UF và MF được ứng dụng như bước tiền xử lý giúp loại bỏ một số thành phần rắn lơ lửng, vi rút, vi khuẩn gây hại trước khi qua màng lọc NF hay

RO [34, 28] Cấu hình kết hợp nhiều mô-đun lọc như trên có thể giúp tăng hiệu suất lọc đồng thời làm tăng tuổi thọ sử dụng màng lọc [32]

Hình 2.1 Quá trình thầm thấu [38]

Hình 2.2 Khả năng loại bỏ của màng RO với các công nghệ màng khác nhau [20]

Màng lọc RO phổ biến ở dạng màng mỏng composite (TFC) Màng TFC thường được cấu thành gồm ba lớp như lớp đệm polyester (loại không dệt) có độ dày khoảng

100 𝜇𝑚, lớp polysuflone hoặc polyesthersulfone có cấu trúc xốp với độ dày khoảng 40-

50 𝜇𝑚 và lớp màng polyamide dày khoảng 0,2 𝜇𝑚 [67] Trong đó, lớp màng polyamide (PA) giữ vai trò chính quyết định hiệu suất quá trình thẩm thấu ngược, lớp polysulfone hoặc polyethersulfone giữ vai trò vừa là lớp đệm vừa giúp loại bỏ bổ sung một số chất rắn lơ lửng còn lại sau quá trình tiền xử lý

Có rất nhiều cách thiết kế và sắp xếp màng lọc, tuy nhiên các màng lọc được thiết kế theo kiểu cuộn xoắn được sử dụng rộng rãi nhất (Hình 2.3) Ở giữa lõi lọc là một đường ống được đục lỗ nhỏ để thu hồi nước sạch, các tấm màng sẽ được dán và quấn quanh đường ống này Mặt bên trong của màng tiếp xúc trực tiếp với ống thu hồi nước sạch thường được phủ lớp vật liệu có độ xốp cao để điều hòa áp suất Ở giữa các tấm màng là các tấm vật liệu dạng lưới (feed spacer) có chức năng ổn định độ cao (xấp xỉ 1 nm) của dòng chảy qua từng tấm màng Lớp vật liệu này có chức năng chính ổn định được lượng nước vào và ra giữa các tấm màng, bảo vệ lớp PA có độ bền cơ yếu, dễ bị hư hỏng biến dạng do áp suất cao

Hình 2.3 Cấu trúc mô-đun màng RO xoắn [36]

Nước cấp được bơm liên tục qua các màng lọc RO ở áp suất cao hơn áp suất thẩm thấu (P > ) theo phương song song với bề mặt màng hình thành dòng ngang (cross- flow) Nước cùng một lượng rất ít các chất hòa tan đi qua màng gọi là dòng tinh khiết hay dòng thấm, trong khi một phần nước còn lại cùng phần lớn các chất hòa tan không đi qua màng được tách riêng, có độ mặn cao hơn nước cấp được gọi là dòng thải hay dòng cô đặc (concentrate) Tốc độ dòng thải quyết định ứng suất trượt trên bề mặt màng giúp cuốn trôi các cặn bẩn, giúp giảm khả năng bám bẩn hoặc đóng cặn trên bề mặt màng, vì vậy giúp giảm tình trạng tắt nghẽn màng RO Tuy nhiên, trên thực tế tác dụng của dòng thải là chưa đủ để ngăn chặn tình trạng bẩn màng Do đó, quy trình rửa màng định kỳ bằng một lưu lượng dòng lớn hơn hoặc bằng các tác nhân hóa học giúp loại bỏ cặn bẩn tích tụ trên bề mặt màng là cần thiết trong vận hành thực tế

Hình 2.4 Dòng ngang trong công nghệ lọc RO [36]

Bơm cao áp là thành phần quan trọng quyết định hiệu suất vận hành của hệ thống lọc nước RO, đặc biệt trong ứng dụng khử mặn Áp suất đầu ra của bơm cần được kiểm soát để duy trì lưu lượng dòng thấm và đảm bảo áp suất dòng vào lõi lọc nằm trong giới hạn khuyến nghị của nhà sản xuất Các lõi lọc nước lợ Filmtec có thể đáp ứng với điều kiện áp suất dòng vào đến 41 bar (600 psi) trong khi các lõi lọc nước mặn có thể chịu được áp suất đến 70 – 80 bar (1000 – 1.200 psi) [20] Một số loại bơm cao áp có thể lắp đặt vào hệ thống lọc RO:

1 Bơm thể tích (positive displacement pump):

Là loại bơm không thể điều chỉnh lưu lượng Áp suất dòng vào lõi lọc thường được kiểm soát thông qua một van điều áp (backpressure valve) thiết kế trên đường ống nối tắt từ đầu ra đến đầu vào của bơm Thiết bị giảm xung (pulsation damper hoặc pulsation accumulator) gắn ở đầu ra của bơm cũng giúp giảm các xung áp suất của lưu chất Ngoài ra, hệ thống bơm cấp cho hệ thống RO cần được thiết kế van xả (relief valve) để bảo vệ hệ thống trong trường hợp quá áp

2 Bơm ly tâm (centrifugal pump):

Là loại bơm có thể kiểm soát được lưu lượng bằng một van tiết lưu (throttling valve) ở đầu ra của bơm Bơm ly tâm trong các hệ thống màng thường có động cơ cố định tốc độ (fixed speed motor) Tuy nhiên, do chất lượng nước đầu vào cần xử lý thường thay đổi, nên cần trang bị các bơm điều tốc (variable speed motor) để tiết kiệm chi phí năng lượng, mặc dù giá thành các loại bơm điều tốc thường cao hơn dẫn đến làm tăng chi phí đầu tư Thông thường, nếu nhiệt độ nước cấp vào hệ thống RO biến động trên 5 o C thì cần trang bị bơm điều tốc Đối với nguồn nước nhiễm mặn, công nghệ lọc RO thường được ưu tiên lựa chọn do tối ưu về mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các công nghệ tách mặn khác như công nghệ chưng cất MSF (Multi-Stage Flash Distillation) hay MED (Multiple-Effect Distillation) [15, 42, 46] Nghiên cứu trước đây cho thấy mức tiêu thụ năng lượng chiếm khoảng 45% tổng chi phí vận hành của hệ thống RO [11] Trong khi đó, chi phí đầu tư nguồn cấp năng lượng cho hệ thống lọc ở các vùng nông thôn hầu như chiếm 60% tổng ngân sách đầu tư [60] Ngoài mô-đun chính gồm các màng lọc RO, hệ thống lọc BWRO thực tế bao gồm cả mô-đun lọc tiền xử lý và mô-đun sau lọc RO, được bố trí với cấu hình cơ bản như minh họa trong Hình 2.5 Vai trò chủ yếu của mô-đun tiền xử lí là giúp giảm khả năng bám bẩn và kéo dài tuổi thọ của màng RO Trong khi mô-đun sau lọc

RO giúp cải thiện chất lượng nước sau xử lý nhằm đạt tiêu chuẩn sử dụng thực tế, bao gồm loại bỏ triệt để vi sinh, điều chỉnh pH và hàm lượng khoáng nếu dùng cho mục đích ăn uống

Hình 2.5 Cấu hình cơ bản của hệ thống lọc nước RO [38]

Việc sắp xếp hợp lý các đơn vị màng trong mô-đun màng RO cũng giúp cải thiện hiệu suất lọc đồng thời giảm chi phí đầu tư và mức tiêu thụ năng lượng Việc lựa chọn lắp đặt nối tiếp hoặc song song các lõi lọc trong một mô-đun màng được quyết định bởi các yêu cầu thiết kế như hiệu quả lọc, chất lượng dòng thấm, hiệu quả sử dụng năng lượng, hiệu quả thu hồi nước sạch và tuổi thọ của màng lọc và của hệ thống lọc [50] Với các hệ thống RO quy mô nhỏ (công suất dưới 5m 3 /ngày), các thiết kế mô-đun màng

RO phổ biến có thể kể đến như mô-đun gồm hai lõi lọc nối tiếp (two-stage và two-pass) như minh họa trong Hình 2.6 và Hình 2.7 Đây là các mô-đun màng RO đã được ứng dụng để tăng tỷ lệ thu hồi nước sạch đến 90% và cải thiện hiệu quả loại muối cũng như chất lượng nước đầu ra [63]

Ngoài ra, các nghiên cứu đã cho thấy thiết kế kết hợp các loại lõi lọc có đặc tính kỹ thuật khác nhau có thể giúp tăng tỷ lệ thu hồi nước sạch đến 83% và giảm 20% TDS dòng thấm của hệ thống lọc nước lợ BWRO [1, 61, 41] Khi quy mô xử lý nước tăng, cần tăng số lượng mô-đun màng thành phần, vì vậy đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn so với cấu hình một mô-đun thành phần Lựa chọn này thường được áp dụng nếu hiệu quả thu hồi nước sạch của cấu hình một mô-đun thành phần dưới 50% [21, 50, 61] Trong thực tế, do hầu hết các hệ thống BWRO quy mô nhỏ có tỷ lệ thu hồi cao, mô-đun RO một thành phần được đánh giá là có hiệu quả về kinh tế hơn [36]

Hình 2.6 Mô đun màng RO gồm 2 lõi lọc (two-stage) tăng hiệu quả thu hồi nước sạch từ dòng thải [36]

Hình 2.7 Mô đun màng RO gồm 2 lõi lọc (two-pass) tăng chất lượng nước đầu ra [36]

Tổng quan nghiên cứu trước đây

Tại Việt Nam, hiện có rất nhiều nhà cung cấp máy lọc nước quy mô văn phòng, hộ gia đình, và qui mô bán công nghiệp (500 đến 1000 lít nước sạch/ngày) sử dụng công nghệ kết hợp tối ưu nhiều bước lọc như lọc MF, lọc than và cuối cùng là RO để loại bỏ các thành phần vô cơ và hữu cơ tồn tại trong nguồn nước máy Trong đó, có thể kể đến các nhà cung cấp có thị phần lớn đang cung cấp máy lọc nước RO được lắp ráp trong nước, sử dụng linh kiện nhập khẩu, như Kangaroo, Karofi, Sunhouse, Asanzo… Ngoài ra, trên thị trường cũng tồn tại nhiều nhà cung cấp máy lọc nước nhập khẩu nguyên kiện như Unilever, Chungho, Philips…(Bảng 2.2) Như vậy để có thể lựa chọn cấu hình máy lọc nước đảm bảo chất lượng thì cần phải căn cứ vào những tiêu chí đánh giá như thế nào? Kết quả tổng quan cho thấy hiện tại vẫn chưa có nghiên cứu ứng dụng trong nước nào tập trung trả lời câu hỏi này

Bảng 2.2 Bảng so sánh một số loại máy lọc nước RO thương mại quy mô hộ gia đình

STT Loại Máy Giá Công Suất Xuất Xứ Công

6.190.000₫ 10 lít/giờ Việt Nam 0.024 kw/h - 0.03 kw/h

8.300.000₫ 11.8 lít/giờ Hoa Kỳ 0.032 kw/h

6.594.000₫ 7.8 lít/giờ Nhật Bản 0.03 kw/h

6 Máy lọc nước ion kiềm Kangen

Hầu hết các máy lọc RO trên thị trường hiện nay tại Việt Nam đều có nguyên lý làm việc như nhau với thành phần cơ bản bao gồm: bộ lọc tiền xử lý loại bỏ các chất rắn vô cơ và hữu cơ có kích thước micro, lọc than hoạt tính hệ thống lọc RO, lọc post- carbon, và bộ lọc sau cùng có bổ sung khoáng Tuy nhiên, chìa khóa của sự khác biệt giữa các mô-đun máy nằm ở chất lượng bộ lọc và màng lọc và cấu hình thiết kế là các yếu tố quyết định chất lượng nước đầu ra, thời gian sử dụng, chi phí vận hành và chi phí đầu tư hệ thống [30] Chất lượng và độ ổn định của màng lọc MF, than hoạt tính, màng lọc RO là yếu tố quan trọng quyết định độ bền và hiệu suất của hệ thống lọc Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất là áp lực nước đầu vào và chất lượng nước đầu vào Chính vì vậy, những yêu cầu về tiền xử lý nguồn nước cấp (lọc cặn rắn, lọc phèn, lọc vi sinh, lọc chất hữu cơ bao gồm thuốc trừ sâu) trước khi vào máy lọc RO là vô cùng quan trọng, liên quan đến chi phí bảo trì, bảo dưỡng hệ thống trong quá trình vận hành sử dụng cũng như chất lượng nguồn nước đầu ra Ngoài ra, cụ thể khi xem xét thiết kế hoặc đầu tư hệ thống lọc RO, cần đánh giá được chất lượng của vật liệu các bộ phận chính và đường dẫn, bao gồm các chi tiết nhựa và mối nối, khả năng rò rỉ, có tích hợp hệ thống dò thông số vận hành hệ thống như áp suất và TDS, chất liệu bên trong các bộ lọc đa chất (than, MF, UF, NF…), thông số từ nhà cung cấp về độ chính xác và giới hạn sử dụng các thành phần cấu kiện chi tiết, khả năng nhiễm bẩn,…Trong số các công ty sản xuất màng hiện nay, màng lọc RO rất đa dạng và có khả năng loại muối rất cao và ổn định (khả năng loại muối và các ion hòa tan đạt từ 98-99%), hiệu quả hơn các loại màng cùng loại trên thị trường [16] Đồng thời, sản phẩm màng RO - Filmtec khá phổ biến trên thị trường, dễ dàng thay thế và bảo trì với giá thành phù hợp, giúp giảm chi phí về nước ăn uống hằng ngày của người dân

Trên thế giới, có nhiều nghiên cứu điển hình về thiết kế và đánh giá hiệu quả vận hành các hệ thống khử mặn PV-BWRO quy mô nhỏ tại nhiều nơi khác nhau Nghiên cứu “Tối ưu hóa và phân tích tính kinh tế của hệ thống lọc nano quy mô nhỏ và hệ thống nước lợ thẩm thấu ngược chạy bằng quang điện” do Manoj Chandra Garg và cộng sự thực hiện năm 2014 [16] Nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trên các màng RO và NF thương mại nhằm phân tích hiệu quả về kinh tế của hai loại màng có tích hợp hệ thống điện năng lượng mặt trời tại Ấn Độ Nước đầu vào là nước lợ có tổng chất rắn hòa tan nằm trong khoảng từ 1500 mg/L đến 3000 mg/L cho kết quả khả năng thu hồi nước tối ưu của hai hệ thống PV-RO/PV-NF lần lượt là 20,24 % và 18,98 %, loại bỏ muối 90,22

% và 70,64 % và mức tiêu thụ năng lượng là 17,87 kWh/m 3 và 9,35 kWh/m 3 Kết quả cũng cho thấy mức độ tiêu tốn năng lượng của hai hệ thống phụ thuộc vào cá yếu tố như phương thức tích hợp màng NF và RO và tỷ lệ thu hồi

Nghiên cứu “Thiết kế và hiệu quả vận hành thực nghiệm của thiết bị lọc nước lợ sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược được cung cấp năng lượng bởi hệ thống quang điện

2 kW” do Alghoul và cộng sự thực hiện năm 2016 [28] đã thiết kế và lắp đặt một hệ thống lọc nước lợ sử dụng công nghệ RO kết hợp hệ thống năng lượng mặt trời (2kWp) độc lập tại Malaysia Hệ thống RO gồm 5 màng lọc nhằm xử lý TDS của nước cấp là

2000 mg/l với TDS của nước đầu ra dưới 50 mg/l Kết quả cho thấy hệ thống năng lượng mặt trời cung cấp tải điện 600W, hệ thống RO cấu tạo gồm các màng TW30-

4040 (400x4000) với cấu hình thiết kế gồm hai mô-đun lọc (two-stages) Hệ thống RO có khả năng vận hành ổn định, có thể kiểm soát được chất lượng dòng thấm Hệ thống PV-BWRO vận hành trong 10 giờ trong ngày với công suất 5,1 m 3 nước ngọt/ngày và mức năng lượng tiêu tốn là 1,1 kWh/m 3

Nghiên cứu “Đánh giá thực nghiệm về công nghệ lọc nước sử dụng năng lượng mặt trời: Một nghiên cứu điển hình về ứng dụng tại một vùng quê ở Mexico” do Elasaad và cộng sự thực hiện 2015 [4] đã thiết kế và vận hành thử nghiệm hệ thống RO tại Mexico, với công suất 1 m 3 nước uống/ngày, xử lý nguồn nước mưa hoặc nước giếng có TDS khoảng 2000 mg/L phục vụ cộng đồng dân cư khoảng 450 người Kết quả đánh giá cho thấy hệ thống có khả năng cung cấp nguồn nước sạch, an toàn cho ăn uống (TDS 10 mg/L; khử khuẩn bằng tia UV) và giảm 25% chi phí so với mua nước đóng chai

Nghiên cứu “Minh chứng cho khả năng phục hồi cao và tiết kiệm năng lượng khi sử dụng hệ thống RO quy mô nhỏ để xử lí nước lợ” do Song và cộng sự thực hiện năm

2012 [39] đã thiết kế và đánh giá hiệu suất thu hồi nước sạch và hiệu quả năng lượng của hệ thống RO quy mô nhỏ xử lý nước ngầm có TDS tối đa 5000 mg/L có cấu hình hoàn lưu dòng thải Kết quả cho thấy cấu hình tuần hoàn kín dòng thải giúp tăng hiệu quả thu hồi nước và tiết kiệm chi phí vận hành Ngoài ra, nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ dòng cross-flow tăng giúp làm giảm khả năng bẩn màng

Nghiên cứu “Thiết kế hệ thống khử mặn nước RO di động qui mô nhỏ chạy bằng năng lượng mặt trời được triển khai tại bờ biển phía tây bắc của Ai Cập” do Shawky và cộng sự thực hiện năm 2015 [26] nhằm thiết kế hệ thống lọc nước ngầm (EC 10,930 às/cm) bằng cụng nghệ RO kết hợp pin năng lượng mặt trời cú cụng suất 4 – 5 m 3 nước uống/ ngày bằng cách ứng dụng phần mềm ROSA (phiên bản trước của WAVE) Thông số thiết kế đầu vào bao gồm chất lượng, lưu lượng nước cấp, áp suất dòng cấp và dòng thải, nhiệt độ và pH Một cấu hình hệ thống lọc gồm số lượng màng và cột lọc, loại màng, loại bơm nước cấp và bơm cao áp được lựa chọn Phần tính toán lưu lượng dòng thấm và mức năng lượng tiêu thụ Bơm tăng áp và động cơ thu hồi năng lượng cũng được bổ sung vào cấu hình Cấu hình được thiết kế di dộng được, thuận lợi để phục vụ nhu cầu nước uống ở các khu vực vùng sâu vùng xa

Nghiên cứu “So sánh cấu hình của các hệ thống khử mặn có hiệu suất thu hồi cao” do Qiu và Davies thực hiện năm 2012 [61] nhằm xem xét một số hệ thống xử lý nước lợ khác nhau bằng công nghệ RO nhằm tìm ra giải pháp làm giảm thiểu nhu cầu năng lượng (SEC) Phân tích chỉ ra rằng, việc giảm năng lượng của hệ thống BWRO có thể đạt được bằng cách: i) tăng số lượng lõi lọc (stage); ii) sử dụng thiết bị thu hồi năng lượng (ERD); iii) tuần hoàn kín Tăng số lượng màng lọc ngoài việc giảm năng lượng còn giúp cải thiện khả năng thu hồi nước sạch, tuy nhiên khả năng cải thiện ít rõ rệt khi số lượng màng vượt quá bốn Hiệu quả tiết kiệm năng lượng gần tương đương giữa hệ thống BWRO tuần hoàn kín so với hệ thống BWRO có hệ thống thu hồi năng lượng

(ERD) với tỷ lệ thu hồi khoảng 80% Từ đó cho thấy lợi thế của hệ thống BWRO tuần hoàn kín v và về tiết kiệm chi phí

Mặc dù việc vận hành các hệ thống RO lọc nước nhiễm mặn quy mô nhỏ là đơn giản nhưng mức độ phổ biến về thương mại chưa cao so với các hệ thống lọc quy mô lớn [27] Vì vậy, cần ưu tiên thúc đẩy phát triển các hệ thống lọc nước nhiễm mặn có quy mô nhỏ với khả năng ứng dụng đáp ứng nhu cầu thực tế Các nghiên cứu trước đây cho thấy các hệ thống lọc RO với quy mô nhỏ vừa có thể được thiết kế cho phép kết hợp sử dụng các nguồn cấp năng lượng tái tạo [31] Trong đó, mô hình hệ thống lọc nước lợ sử dụng công nghệ RO và pin năng lượng mặt trời (PV-BWRO) có thể là một giải pháp hứa hẹn đáp ứng nhu cầu sản xuất nước sạch tại các vùng xa xôi hẻo lánh Để sản xuất ra 1 m 3 nước sạch/ ngày ở những khu vực xa xôi không có mạng lưới cấp điện, hệ thống PV-RO quy mô nhỏ làm tiêu tốn năng lượng cao hơn các hệ thống quy mô vừa và lớn, tuy nhiên chi phí đầu tư ban đầu vẫn thấp hơn so với các công nghệ lọc mặn khác Một trong những thách thức cần quan tâm đối với mô hình kết hợp nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống sản xuất nước sạch từ nước nhiễm mặn là cách thức vận hành một hệ thống tổ hợp, đặc biệt là việc giải quyết sự cố do dao động nguồn cấp từ hệ thống năng lượng mặt trời [65]

Hệ thống PV-RO nhỏ, sản xuất dưới 5m 3 / ngày ở các vùng sâu vùng xa thiếu điện lưới, có mức tiêu thụ năng lượng cụ thể cao hơn so với các hệ thống vừa và lớn, nhưng chi phí đầu tư ban đầu vẫn thấp hơn [18] Nghiên cứu của nhóm tác giả Gocht và cộng sự năm 1988 [64] tập trung đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu quả chi phí của một hệ thống khử mặn nước lợ quy mô nhỏ, vận hành bằng năng lượng cung cấp từ các tấm PV ở một vùng nông thôn Kết quả cho thấy hệ thống khử mặn RO kết hợp với điện cung cấp từ hệ thống PV hoạt động không liên tục có tính khả thi về mặt kinh tế xã hội Trong đó, hoạt động liên tục được định nghĩa là hoạt động 24 giờ/ ngày, trong khi hoạt động không liên tục được giới hạn trong 5-10 giờ/ ngày tùy thuộc vào vị trí lắp đặt và nhu cầu về số giờ hoạt động tối ưu Hệ thống hoạt động liên tục yêu cầu có các ắc quy có công suất lớn để dự trữ điện và tiếp cung cấp điện vào ban đêm hoặc trong những thời điểm thởi tiết không đảm bảo; tuy nhiên, yêu cầu này làm tăng tổng chi phí đầu tư Một lựa chọn khác được đề xuất là trữ nước trong bồn chứa để giảm chi phí và số lượng ắc quy cần sử dụng Để đạt hiệu suất thu hồi cao, cấu hình liên tục của hệ thống RO lọc nước nhiễm mặn trước đây phải hoạt động ở áp suất lớn và tiêu tốn năng lượng nhiều Thông thường, các hệ thống khử mặn RO có cấu hình cơ bản một mô-đun với một hoặc nhiều lõi màng

PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu

3.1.1 Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu

- Thu mẫu nước máy tại vòi ở các trường học trên địa bản huyện Ba Tri, bảo quản lạnh trong chai 1,5 lít và chuyển về phòng thí nghiệm trong ngày vào tháng 11 năm

2020 và tháng 3 năm 2021 Mẫu được bảo quản trong tủ lạnh chuyên dùng ở 4 o C trước khi phân tích trong vòng tối đa 7 ngày tại Phòng thí nghiệm Phân tích Môi trường, Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, trường ĐH Bách Khoa

- Các chỉ tiêu phân tích chất lượng nước được so sánh với QCVN 09- MT:2015/BTNMT và QCVN 02:2009/BYT

Bảng 3.1 Danh sách các trường khảo sát chất lượng nước cấp

STT Tên Trường Tọa độ

8 Tiểu học Nguyễn Đình Chiểu 10°2’11” B 106°35’20” Đ

9 Tiểu học An Bình Tây 10°2’41" B 106°34’36” Đ

10 Mẫu giáo An Ngãi Trung 10°4’6” B 106°32’34” Đ

3.1.1.2 Phương pháp phân tích mẫu:

Tất cả các mẫu nước đều được thu mẫu trực tiếp tại vòi cấp nước của các trường học, bảo quản lạnh và chuyển về phòng thí nghiệm phân tích trong vòng tối đa 24 giờ Mẫu được phân tích tại Phòng thí nghiệm Phân Tích Môi Trường, Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, Đại học Bách Khoa (ALPHA, 2012; TCVN) Các chỉ tiêu phân tích bao gồm pH, nhiệt độ, TDS hoặc EC, Ca 2+ , độ cứng, Fe 2+ , tổng Fe, SO4 2-, SiO2, NO3 -, PO4 3-

, tổng P, F - , Al 3+ và Cl - (Bảng 3.2) Thông tin chất lượng nước thực tế được dùng làm thông tin đầu vào để mô phỏng hiệu quả vận hành của hệ thống RO được lựa chọn với phần mềm WAVE

Bảng 3.2 Thiết bị và phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý trong nước STT Chỉ tiêu Thiết bị Phương pháp phân tích

1 Nhiệt độ Máy đo pH đa chỉ tiêu Hanna

2 pH Máy đo pH đa chỉ tiêu Hanna

3 TDS Máy đo pH đa chỉ tiêu Hanna

4 EC Máy đo pH đa chỉ tiêu Hanna

7 Fe 2+ Máy quang phổ UV-VIS

8 Tổng Fe Máy quang phổ UV-VIS

9 SO4 2- Máy quang phổ UV-VIS

10 SiO2 Máy quang phổ UV-VIS

11 NO3 - Máy quang phổ UV-VIS

12 PO4 3- Máy quang phổ UV-VIS

13 Tổng P Máy quang phổ UV-VIS

14 F - Máy quang phổ UV-VIS

15 Al 3+ Máy quang phổ UV-VIS

3.1.2 Quy trình lựa chọn cấu hình hệ thống lọc RO với phần mềm WAVE Để thiết kế và tính toán chi phí, thông tin đầu vào của WAVE bao gồm các thông số chất lượng nước, đơn giá điện năng sử dụng, hiệu suất bơm và điện năng tiêu tốn Các thông số thiết kế trong phần mềm WAVE bao gồm loại nguồn cấp, công suất và hiệu suất thu hồi Phần mềm WAVE cho phép thiết kế mô-đun lọc hoàn chỉnh đối với đa dạng nguồn cấp khác nhau bao gồm nước sau xử lý RO/NF, nước đã khử cứng, nước mặt, nước thủy cục, nước giếng, nước biển và nước thải được phân loại chất lượng dựa vào chỉ số SDI (silt density index) Phần mềm cung cấp lựa chọn phối trộn nhiều dòng cấp cho mô-đun lọc Nước cấp có chỉ số SDI dưới 5 được hãng sản xuất màng Filmtec khuyến nghị là phù hợp, giúp kéo dài tuổi thọ màng lọc RO Các lựa chọn đối với mô- đun tiền lọc bao gồm UF, trao đổi ion, khử độ cứng và độ kiềm Vì vậy, để đạt được mục tiêu này, các bước tiến hành được đề xuất như Hình 3.1, bao gồm: i Xác định mục tiêu thiết kế:

Mục tiêu thiết kế cần được xác định rõ bao gồm loại nguồn cấp cần xử lý, công suất hoặc hiệu suất thu hồi, loại cấu hình lắp đặt mô-đun màng Mô hình dòng chảy phổ biến trong các hệ thống RO khử mặn là liên tục (plug-flow) với dòng vào được xử lý qua hệ thống một lần Tuy nhiên, chế độ tuần hoàn dòng thải có thể áp dụng đối với hệ thống RO quy mô nhỏ có số lượng màng lọc quá ít, giúp tăng hiệu quả thu hồi nước sạch và giảm bẩn màng Chế độ tuần hoàn dòng thải cũng có thể được thiết kế trong các ứng dụng đặc biệt như trong xử lý nước thải

Mục tiêu thiết kế chung trong hầu hết hệ thống RO là nhằm đạt được lưu lượng dòng thấm và hiệu suất thu hồi ổn định Ngoài ra, những ảnh hưởng do thay đổi nhiệt độ nước cấp và hiện tượng tắc màng có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh áp suất đầu vào mô-đun màng lọc Hệ thống lọc 2 giai đoạn (permeate-staged system hoặc double-pass system) có cấu hình kết hợp bởi hai mô-đun màng RO lắp nối tiếp, trong đó dòng thấm của mô-đun màng RO thứ nhất (first pass) là đầu vào cho mô-đun màng

RO sau (second pass) Các mô-đun màng RO thành phần có thể gồm một hay nhiều kênh màng (pressure vessel) lắp đặt nối tiếp, hoặc cũng có thể bao gồm nhiều kênh màng thiết kế song song Loại cấu hình hệ thống xử lý nhiều giai đoạn này thích hợp để sản xuất nước có yêu cầu chất lượng khắc khe, như dùng cho y tế và ngành dược Trong một số trường hợp, giai đoạn lọc thứ hai có thể được xem xét thay thế bởi cột lọc trao đổi ion hỗn hợp tùy vào yêu cầu thực tế ii Xác định loại mô-đun ứng dụng để mô phỏng hiệu quả vận hành:

Tùy vào đặc điểm nguồn cấp và quy mô xử lý có thể lựa chọn các mô-đun ứng dụng khác nhau có sẵn trong WAVE như RO, CCRO, ROSC để đánh giá hiệu quả vận hành của hệ thống RO được lựa chọn Đối với việc thiết kế hệ thống RO hoàn chỉnh, chất lượng nước đầu vào và ra của mô-đun màng RO có liên quan đến khả năng xử lý của các mô-đun tiền lọc và sau lọc iii Số lượng dòng cấp và chất lượng nguồn cấp vào mô-đun RO:

Tính chất hóa lý của nguồn cấp cần cung cấp bao gồm nhiệt độ, pH, TSS, độ đục,

Na + , Mg 2+ , Ca 2+ , CO3 2-, HCO3 -, NO3 -, F - , Cl - , SO4 2-, PO4 3-, SiO2, CO2 iv Xác định cấu hình chi tiết và điều kiện vận hành:

Tùy vào mục tiêu thiết kế và thông số vận hành dự kiến như áp suất và thông lượng trung bình, cấu hình chi tiết của hệ thống lọc RO được lựa chọn bao gồm loại màng, số lượng màng và số lượng cột lọc Giới hạn thiết kế của các màng lọc thương mại là các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp sẵn và có thể dùng để xem xét lựa chọn lõi lọc phù hợp với mục tiêu ứng dụng (Bảng 3.3) Đặc biệt, việc lựa chọn thông số vận hành và cấu hình chi tiết cũng cần lưu ý một số thông số kỹ thuật quan trọng giúp kéo dài thời gian sử dụng hệ thống (Bảng 3.4) v Mô phỏng kết quả vận hành và đánh giá thông tin cảnh báo liên quan đến giới hạn thiết kế và khả năng bẩn màng

Hình 3.1 Quy trình lựa chọn cấu hình hệ thống lọc RO với phần mềm WAVE [19]

Bảng 3.3 Giới hạn ứng dụng của các loại màng lọc RO [20] Ứng dụng công nghiệp quy mô vừa và lọc nước biển quy mô nhỏ Ứng dụng thương mại quy mô nhỏ

• Định kỳ thay thế hoặc vệ sinh lõi 6-

• Hiệu quả vận hành giảm theo thời gian

• Tuổi thọ sử dụng dưới 3 năm

Nguồn cấp Nước máy đã khử cứng

Nước mặt Nước máy đã khử cứng

Thông lượng trung bình cho phép

Hiệu suất thu hồi tối đa của mỗi lõi lọc

Lưu lượng dòng thấm tối đa (m 3 /ngày)

(không bao gồm các lõi fullfit and

Loại lõi lọc Lưu lượng dòng thải tối thiểu (m 3 /giờ)

(không bao gồm các lõi fullfit)

Loại lõi lọc Lưu lượng dòng vào tối đa (m 3 /giờ) Áp suất giảm qua màng tối đa (psi) Áp suất dòng vào tối đa (psi)

Lưu lượng dòng vào tối đa (m 3 /giờ) Áp suất giảm qua màng tối đa (psi) Áp suất dòng vào tối đa (psi)

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật quan trọng cần xem xét khi thiết kế hệ thống lọc

STT Đặc trưng Thông số kỹ thuật Mục tiêu ứng dụng

1 Nguồn cấp • Chỉ số SDI (silt density index, %/phút)

• Tham khảo thông lượng trung bình cho phép (target flux, L/m 2 giờ)

• Tham khảo hiệu suất thu hồi tối đa của mỗi lõi lọc (%)

2 Dòng thấm • Lưu lượng dòng thấm tối đa (m 3 /ngày)

• Xác định kích thước lõi lọc (đường kính và chiều dài màng)

3 Dòng thải • Lưu lượng dòng thải tối thiểu (m 3 /giờ)

• Xác định kích thước lõi lọc (đường kính và chiều dài màng)

4 Loại màng • Lưu lượng dòng cấp tối đa (m 3 /giờ)

• Sụt áp qua màng tối đa (psi)

• Áp suất dòng cấp tối đa (psi)

• Lựa chọn loại màng phù hợp với đặc trưng ứng dụng

Loại màng lọc RO được lựa chọn dựa vào mục đích ứng dụng, công suất hệ thống, độ mặn của nước cấp, khả năng gây bẩn màng, hiệu suất loại muối và yêu cầu về năng lượng tiêu thụ Màng lọc tiêu chuẩn cho hệ thống có công suất lớn hơn 2,3 m 3 /giờ có đường kính 8 inch (201 mm) và dài 40 inch (1016 mm) Ngoài ra, hiện nay thị trường cũng có sẵn các lõi lọc kích thước nhỏ hơn dành cho các hệ thống quy mô nhỏ Trong đó, màng lọc FilmTec được sản xuất đa dạng, đáp ứng nhiều mục đích ứng dụng khác nhau Nhìn chung, màng lọc RO được phân loại theo chủng loại màng, vật liệu bọc ngoài, kích thước và công dụng Các loại màng lọc có đường kính nhỏ hơn 8 inch được đặt tên theo quy tắc nhất định như sau: (i) phần đầu ký hiệu cho loại màng và công dụng, (ii) phần sau ký hiệu kích thước lõi Ví dụ, đối với lõi BW30-4040, BW30 là để ký hiệu cho loại màng FT30 ứng dụng xử lý nước lợ, hai chữ số tiếp theo 40 dùng để ký hiệu đường kính lõi đã được nhân với hệ số 10 (4,0 inch), hai chữ số cuối cùng 40 dùng để ký hiệu chiều dài lõi (40 inch) Ngoài ra, màng lọc có đường kính 8,0 inch thường có chiều dài 40 inch, và thường được ký hiệu theo diện tích thực của màng (ft 2 )

Ví dụ, lõi BW30-400 có diện tích màng là 400 ft 2 Một vài lõi lọc có ký hiệu tên mở rộng gồm các ký tự (Ví dụ, FR hoặc FF) để ký hiệu cho một số đặc tính đặc trưng của lõi lọc như chống bẩn màng (fouling-resistant, FR) hay đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh y tế (fullfit - FF) Đặc tính ứng dụng các loại lõi lọc Filmtec phổ biến được tóm tắt trong Bảng 3.5

Bảng 3.5 Đặc tính ứng dụng của một số màng lọc RO [20] xử lý nước lợ

Ký hiệu lõi lọc Đường kính lõi (inch)

Lưu lượng dòng thấm ở điều kiện thử nghiệm Áp suất vận hành tối đa * (psi) Đặc tính ứng dụng chuẩn * (L/giờ)

1 BW30 2,5; 4; 8; 120 – 1.660 600 Màng FT30 loại muối ứng dụng cho xử lý nước lợ

8 2000 600 Màng có hiệu suất loại muối cao, ứng dụng cho xử lý nguồn nước có TDS thay đổi nhiều

4; 8 320 – 1.830 600 Màng hoạt động với áp suất vận hành thấp, tiết kiệm năng lượng

4 HSRO 4; 8 300 – 1.416 600 Màng RO đã được xử lý khử trùng bằng nhiệt trong các lõi đạt tiêu chuẩn vệ sinh y tế (fullfit)

8 2679 800 Màng ứng dụng xử lý nước có độ mặn cao nhưng tiết kiệm năng lượng

6 SW30 2,5; 4 24 – 300 1.000 Màng RO xử lý nước biển có độ mặn thấp (hoặc nhiệt độ thấp) và nước lợ có độ mặn cao

8 950 1.200 Màng RO xử lý nước biển, có hiệu suất loại muối cao, ứng dụng trong các hệ thống khử mặn nước biển 1 giai đoạn

8 1.200 1.200 Màng RO xử lý nước biển, có hiệu suất loại muối cao, ứng dụng trong các hệ thống khử mặn nước biển tiết kiệm năng lượng

8 1.183 800 Màng RO khử mặn nước biển, có khả năng chống bẩn màng sinh học và chức năng tự làm sạch

8 946 – 1.042 800 Màng RO xử lý nước biển, có hiệu suất loại muối cao nhất

8 1.400 1.200 Màng RO khử mặn nước biển, siêu tiết kiệm năng lượng

2; 2,5; 4 16 - 500 600 Màng FT30 dành cho nước lợ, có hiệu suất loại muối cao, thường ứng dụng trong hệ thống lọc RO nước máy

13 XLE 8 288 – 358 100 – 125 Màng RO xử lý nước lợ áp suất thấp, siêu tiết kiệm năng lượng

* Thông số có thể thay đổi theo kích thước lõi và điều kiện thử nghiệm

Thông lượng trung bình của hệ thống lọc RO là một thông số thiết kế đặc trưng, cần thiết để tính toán số lượng màng lọc của hệ thống Thông lượng được tính theo công thức:

K : hằng số thấm (tỷ lệ với độ thấm và độ dày màng)

P : chênh lệch áp suất qua màng

 : chênh lệnh áp suất thẩm thấu qua màng Đối với nguồn nước đầu vào có chất lượng kém, thông lượng thiết kế trung bình thường thấp hơn Ngoài ra, kể cả với cùng một nguồn nước cấp, thông lượng thiết kế của hệ thống còn được lựa chọn dựa vào mục tiêu tối ưu hóa chi phí đầu tư hay chi phí vận hành trong thời gian dự án Khi ứng dụng thực tế, thông lượng hệ thống có thể được lựa chọn từ kết quả thử nghiệm pilot hoặc thông số đặc trưng của màng lọc Bảng 3.6 tóm tắt thông lượng giới hạn đối với một số màng lọc FilmTec với đường kính 8,0 inch tùy vào chất lượng nguồn nước đầu vào Trong khi đó, chưa có thông tin khuyến nghị về thông lượng giới hạn đối với màng lọc kích thước nhỏ hơn 8,0 inch

Bảng 3.6 Giới hạn thông lượng thiết kế của các lõi lọc FilmTec [20]