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

TRẦN NGUYỄN CHÍ THIỆN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG WAVE TRONG THIẾT KẾCẤU HÌNH HỆ THỐNG LỌC NƯỚC LỢ QUY MÔ NHỎSỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LỌC THẨM THẤU NGƯỢC (RO)

ĐẠT HIỆU QUẢ THU HỒI VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚCPHỤC VỤ NHU CẦU NƯỚC UỐNG TẠI CÁC TRƯỜNG HỌC

THUỘC BA TRI, BẾN TRE

STUDY OF THE APPLICABILITY OF WAVE TO DESIGN A SMALL-SCALE BRACKISH WATER REVERSE OSMOSIS

DESALINATION SYSTEM OPTIMIZED FOR WATER RECOVERY EFFICIENCY AND DRINKING-WATER

QUALITY IN SCHOOLS IN BA TRI, BEN TRE

Chuyên ngành : Kỹ thuật Môi Trường Mã số : 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2023

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Võ Nguyễn Xuân Quế

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Trung Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia, Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 02 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hồi đồng: GS.TS Nguyễn Văn Phước2 Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Trung Thành3 Phản biện 2 : PGS.TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến4 Ủy viên : TS Võ Thanh Hằng

5 Thư ký : TS Phan Thanh Lâm

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

‐ Họ tên học viên: Trần Nguyễn Chí Thiện MSHV: 1970657 -Ngày, tháng, năm sinh: 24/11/1997 Nơi sinh: Bến Tre ‐ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường Mã số : 8520320

I TÊN ĐỀ TÀI:

"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 Tri, Bến Tre" "Study of the applicability of wave to design a small-scale brackish water reverse osmosis desali-nation system optimized for water recovery efficiency and drinking-water quality in schools in Ba Tri, Ben Tre"

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ : Đánh giá tính khả thi ứng dụng phần mềm WAVE trong thiết kế hệ thống lọc nước sử dụng công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) quy mô nhỏ xử lý nguồn nước cấp nhiễm mặn tại các trường học thuộc huyện Ba Tri, Bến Tre

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể Cán Bộ Giảng Viên của khoa Môi trường và Tài Nguyên trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Cảm ơn Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức, giúp đỡ và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt chương trình học thạc sĩ vừa qua

Xin chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường đã tạo cơ hội cho em được học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này Và em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến cô TS Võ Nguyễn Xuân Quế - người trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện giúp em hoàn thành luận văn tốt nhất

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, nhóm nghiên cứu, những

người luôn sẵn sàng sẻ chia và giúp đỡ trong học tập và cuộc sống

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 12 năm 2022

Trần Nguyễn Chí Thiện

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong những năm gần đây ảnh hưởng của biến đổi khí hậu ngày càng biểu hiện rõ rệt ở nước ta, gây thiệt hại nặng nề đặc biệt là tình trạng xâm nhập mặn và thiếu nước sạch đặc biệt là ở Đồng bằng Sông Cửu Long Công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) được biết đến như một sự lựa chọn hiệu quả đối với nguồn nước đầu vào nhiễm mặn

Những hệ thống RO quy mô nhỏ thương mại trên thị trường không đem lại hiệu quả cao trong việc lọc nước lợ mặc dù tiêu thụ năng lượng thấp nhưng khả năng bẩn màng cao khi vận hành với nguồn nước cấp nhiễm mặn và chưa được tối ưu nên tỷ lệ thu hồi nước sạch của hệ thống tương đối thấp Bên cạnh đó, việc thiết kế các hệ thống RO chủ yếu dựa vào kinh nghiệm mà chưa có một công cụ hay phần mềm nào được sử dụng một cách hiệu quả

Nghiên cứu này nhằm đánh giá tính khả thi khi ứng dụng phần mềm WAVE pont Water Solutions, USA) trong thiết kế hệ thống RO xử lý nước cấp nhiễm mặn thực tế tại Ba Tri, Bến Tre Hệ thống RO gồm các màng lọc FilmtecTM kích thước 4-inch được thiết kế và đánh giá hiệu quả vận hành với nước cấp nhiễm mặn giả lập và thực tế có độ mặn tối đa 5000 mgTDS/L, công suất tối thiểu 0,3 m3/giờ Hiệu quả vận hành ở chế độ liên tục (PFD) và tuần hoàn dòng thải (CR) được khảo sát nhằm tăng hiệu quả thu hồi nước sạch và giảm chi phí sản xuất nước Kết quả mô phỏng hiệu quả vận hành bởi phần mềm WAVE được so sánh với hiệu quả thực nghiệm, từ đó đề xuất quy trình ứng dụng WAVE trong thiết kế hệ thống lọc nước RO xừ lý nước cấp nhiễm mặn quy mô nhỏ

(Du-Kết quả nghiên cứu này có thể được mở rộng chuyển giao để ứng dụng thực tế trong xử lý nước cấp nhiễm mặn thành nước uống trực tiếp cho người dân ở những vùng dân cư ven biển đang chịu ảnh hưởng do tình trạng xâm nhập mặn

ABSTRACT

In recent years, the effects of climate change have become increasingly evident in our country, causing heavy damage, especially saline intrusion and lack of clean water in the Mekong Delta Reverse osmosis (RO) technology is known as an effective choice for saline inlet water

Commercial small-scale RO systems on the market are not very effective in ish water purification despite low energy consumption, but the potential for membrane fouling is high when operating with saline and unoptimized water, so The rate of recov-ery of clean water in the whole system is relatively low Besides, the design of RO systems is mainly based on experience without any tools or software being used effec-tively

brack-This study aims to evaluate the feasibility of applying WAVE software (developed by the well-known RO membrane manufacturer Dow Filmtec Company) in the design of a water purification system using RO reverse osmosis filtration technology Small scale model for recovering water from saline water supplies at schools in Ba Tri district, Ben Tre The RO system consists of 4-inch FilmtecTM filters designed and evaluated for operational efficiency with simulated and actual saline feed water with a maximum salinity of 5000 mgTDS/L, minimum capacity of 0.3 m3/hour The operating efficiency in continuous mode (PFD) and circulating waste stream (CR) were investigated to in-crease the efficiency of clean water recovery and reduce water production costs The simulation results of the operation efficiency by WAVE software are compared with the experimental efficiency, thereby proposing the WAVE application process in the design of a small-scale RO water purification system to treat saline water supply

The results of this study can be extended and transferred to practical applications in treating saline water supplies into drinking water directly for people in coastal resi-dential areas affected by saline intrusion

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: "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 Tri, Bến Tre" là công trình nghiên cứu của bản thân Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong luận văn đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 12 năm 2022

Trần Nguyễn Chí Thiện

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

1.5.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

1.6 Tính mới của đề tài 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 6

2.1 Tổng quan lý thuyết 6

2.1.1 Thẩm thấu ngược và các công nghệ lọc nước lợ 6

2.1.2 Hiệu quả xử lý nguồn nước cấp nhiễm mặn bằng hệ thống RO quy mô nhỏ 13

2.1.3 Chế độ vận hành mẻ hoặc bán mẻ với dòng thải tuần hoàn của hệ thống RO xử lý nước nhiễm mặn 16

2.1.4 Ứng dụng phần mềm WAVE để thiết kế và đánh giá hiệu quả vận hành của hệ thống lọc RO xử lý nước nhiễm mặn quy mô nhỏ 19

2.2 Tổng quan nghiên cứu trước đây 23

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 30

3.1 Phương pháp nghiên cứu 30

3.1.1 Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu 30

3.1.1.1 Phương pháp lấy mẫu 30

3.1.1.2 Phương pháp phân tích mẫu: 31

3.1.2 Quy trình lựa chọn cấu hình hệ thống lọc RO với phần mềm WAVE 33

3.1.3 Ứng dụng phần mềm WAVE đánh giá hiệu quả vận hành của hệ thống RO theo chế độ tuần hoàn dòng thải 41

3.1.3.1 Cấu hình hệ thống RO 41

3.1.3.2 Vận hành hệ thống RO pilot 44

3.1.4 Đề xuất quy trình ứng dụng phần mềm WAVE thiết kế và xác định chế độ vận hành hiệu quả của hệ thống RO xử lý nước cấp nhiễm mặn quy mô nhỏ 48

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

4.1 Ứng dụng phần mềm WAVE mô phỏng hiệu quả vận hành của các mô-đun RO có cấu hình khác nhau 49

4.1.1 Chế độ liên tục 49

4.1.2 Chế độ tuần hoàn dòng thải 50

4.2 Hiệu quả vận hành thực nghiệm với nước cấp giả lập 55

4.2.1 Hiệu quả vận hành thực nghiệm ở chế độ liên tục 55

4.2.2 Hiệu quả vận hành thực nghiệm ở chế độ tuần hoàn dòng thải 58

4.3 Hiệu quả vận hành thực nghiệm với nước cấp thực tế tại Ba Tri 61

4.3.1 Chế độ liên tục và chế độ tuần hoàn dòng thải ở tỷ lệ tuần hoàn 4:1 61

4.3.2 Chất lượng nước (sau xử lý UV) 63

4.4 Đề xuất quy trình ứng dụng phần mềm WAVE thiết kế hệ thống lọc RO xử lý nước cấp nhiễm mặn quy mô nhỏ 66

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

5.1 Kết luận 68

5.2 Kiến nghị 68

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 76

EDR Energy recovery device Thiết bị thu hồi năng lượng

ISD Internally staged design Thiết lập cài đặt đối với từng đơn vị màng trong mỗi mô-đun

MED Multiple Effect Distillation Công nghệ chưng cất

MSF Multi Stage Flash Distillation Công nghệ khử mặn nhiều giai đoạn

BWRO

PV-Photovoltaics Brackish water reverse osmosis

Hệ thống lọc nước lợ sử dụng công nghệ lọc thấm thấu ngược tích hợp hệ thống quang điện

TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hòa tan

TFC Thin Film Composite Màng mỏng từ vật liệu tổng hợp

WAVE Water Application Value gine

En-Phần mềm Mô phỏng quá trình lọc nước

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Khả năng loại bỏ của màng RO thương mại ở nhiệt độ phòng [36] 14

Bảng 2.2 Bảng so sánh một số loại máy lọc nước RO thương mại quy mô hộ gia đình 23

Bảng 3.1 Danh sách các trường khảo sát chất lượng nước cấp 30

Bảng 3.2 Thiết bị và phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý trong nước 31

Bảng 3.3 Giới hạn ứng dụng của các loại màng lọc RO [20] 35

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật quan trọng cần xem xét khi thiết kế hệ thống lọc RO 36

Bảng 3.5 Đặc tính ứng dụng của một số màng lọc RO [20] xử lý nước lợ 37

Bảng 3.6 Giới hạn thông lượng thiết kế của các lõi lọc FilmTec [20] 39

Bảng 3.7 Các thông số cơ bản của ba loại màng lọc RO thương mại 42

Bảng 3.8 Nồng độ các chất hòa tan trong nước cấp là thông số đầu vào cho mô phỏng với phần mềm WAVE 43

Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của bơm 45

Bảng 3.10 Chất lượng nước máy thành phố Hồ Chí Minh 45

Bảng 3.11 Một số sự cố thường gặp khi vận hành hệ thống BWRO và cách khắc phục 46

Bảng 3.12 Chất lượng nước cấp tại trường Tiểu học Nguyễn Đình Chiểu, Ba Tri, Bến Tre tháng 6 năm 2022 47

Bảng 4.1 Hiệu suất thu hồi nước sạch và tiêu tốn năng lượng của các loại màng ở chế độ không tuần hoàn dòng thải (RC = 0; f = 1) 49

Bảng 4.2 Hiệu quả vận hành liên tục của các màng lọc đơn với nước giả lập có độ mặn thay đổi ở điều kiện áp suất vận hành khác nhau 55

Bảng 4.3 Hiệu quả vận hành của các mô-đun RO kết hợp với nguồn cấp giả lập có độ mặn thay đổi ở áp suất vận hành khác nhau 58

Bảng 4.4 Hiệu quả vận hành liên tục của mô-đun LCHR-BW với nước cấp thực tế có độ mặn thay đổi ở điều kiện áp suất vận hành khác nhau 61

Bảng 4.5 Hiệu quả vận hành chế độ tuần hoàn dòng thải ở tỷ lệ 4:1 của mô-đun BW với nước cấp thực tế có độ mặn thay đổi ở điều kiện áp suất vận hành khác nhau 62

LCHR-Bảng 4.6 Kết quả phân tích E.Coli và Coliform trong nước thu hồi trước và sau xử lý UV (TCVN 6187-2 : 1996 (ISO 9308-2 : 1990(E)) 63

Bảng 4.7 So sánh hiệu quả vận hành mô phỏng và thực nghiệm của các mô-đun kết hợp với chế độ tuần hoàn dòng thải (156 psi, RC = 6:1) 66

Bảng 5.1 Chất lượng nước sau lọc RO khi vận hành hệ thống thực tế tại Ba Tri 76

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Quá trình thầm thấu [38] 7

Hình 2.2 Khả năng loại bỏ của màng RO với các công nghệ màng khác nhau [20] 8

Hình 2.3 Cấu trúc mô-đun màng RO xoắn [36] 9

Hình 2.4 Dòng ngang trong công nghệ lọc RO [36] 9

Hình 2.5 Cấu hình cơ bản của hệ thống lọc nước RO [38] 11

Hình 2.6 Mô đun màng RO gồm 2 lõi lọc (two-stage) tăng hiệu quả thu hồi nước sạch từ dòng thải [36] 12

Hình 2.7 Mô đun màng RO gồm 2 lõi lọc (two-pass) tăng chất lượng nước đầu ra [36] 12

Hình 2.8 Nồng độ dòng thấm và dòng thải thay đổi theo hiệu suất thu hồi [36] 15

Hình 2.9 Giao diện thiết kế của phần mềm WAVE 20

Hình 2.10 Giao diện lựa chọn cấu hình hệ thống (home) của phần mềm WAVE 21

Hình 2.11 Giao diện cung cấp các thông số dòng cấp (feed) của phần mềm WAVE 22Hình 2.12 Giao diện lựa chọn màng và thông số hệ thống của phần mềm WAVE 22

Hình 2.13 Giao diện xuất kết quả của phần mềm WAVE 23

Hình 3.1 Quy trình lựa chọn cấu hình hệ thống lọc RO với phần mềm WAVE [19] 35

Hình 3.2 Cấu hình mô-đun RO gồm 2 màng lọc nối tiếp với dòng thải tuần hoàn 42

Hình 4.5 Nồng độ TDSp (mg/lít) dòng thấm với nguồn cấp có độ mặn thay đổi ở các tỷ lệ tuần hoàn thải khác nhau (P = 156 psi) 60

Hình 4.6 Năng lượng tiêu thụ SEC (kWh/m3) với nguồn cấp có độ mặn thay đổi ở các tỷ lệ tuần hoàn thải khác nhau (P = 156 psi) 61

Hình 4.7 Kết quả nuôi cấy trong môi trường lauryl-tryptoza (lactoza) sau 48 giờ, 37oC 64

Hình 4.8 Kết quả nuôi cấy trong môi trường trypton và môi trường EC sau 24 giờ, 44oC 65

Hình 4.9 Kết quả kiểm tra tính sinh indol sau 24 giờ, 44oC 65Hình 4.10 Quy trình ứng dụng phần mềm WAVE thiết kế và xác định chế độ vận hành hiệu quả của hệ thống RO xử lý nước cấp nhiễm mặn quy mô nhỏ 67

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Sự gia tăng dân số và phát triển công nghiệp nhanh chóng đã và đang là nguyên nhân dẫn đến những thách thức mà con người phải đối mặt do sự khan hiếm nguồn tài nguyên nước Hiện nay, khoảng 20% dân số trên thế giới đang phải gánh chịu hậu quả do thiếu nguồn nước và 20% còn lại có thể tiếp cận nguồn nước nhưng không thể sử dụng cho mục đích ăn uống do chưa được xử lý thích hợp [66] Dự đoán đến năm 2030, tình trạng thiếu nước sẽ trở nên trầm trọng hơn làm ảnh hưởng đến 40% dân số thế giới Ở Việt Nam, trong những năm gần đây hiện tượng xâm nhập mặn đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng ở khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long do hoạt động ngăn đập thủy điện trữ nước vào mùa khô ở khu vực thượng nguồn và sự suy thoái của hệ sinh thái ngập mặn vùng ven biển Quá trình xâm mặn ngày càng sâu vào khu vực các huyện ven biển Ba Tri, Giồng Trôm cho đến Mỏ Cày, Chợ Lách thuộc tỉnh Bến Tre đã trở thành tâm điểm trong mùa khô 2019-2020, gây ra nhiều thiệt hại về kinh tế và đời sống người dân Nhu cầu nước sạch cung cấp cho sinh hoạt và nước uống trở thành một vấn đề lớn cho các nhà chuyên môn về công nghệ lọc nước lợ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của người dân Các hệ thống lọc nước sử dụng công nghệ màng đã và đang tồn tại trên thị trường gần như không khả thi cho việc lọc nước lợ với độ mặn lên đến 7 o/oo, với bằng chứng là 90% các hệ thống lọc nước được tài trợ trong dự án “Nước sạch học đường” giai đoạn 2019-2020 đến thời điểm hiện tại đều không thể hoạt động do nghẽn màng hoặc hư hại do sự ăn mòn của nước mặn

Nhu cầu lọc nước nhiễm mặn để thu hồi nước sạch sử dụng hoặc làm nước uống trực tiếp là thiết thực và cấp bách Các công nghệ lọc nước nhiễm mặn được chia thành hai nhóm chính: (i) nhóm công nghệ lọc màng và (ii) nhóm công nghệ sử dụng nhiệt Trong đó, các công nghệ màng ứng dụng lọc nước lợ (TDS trong khoảng 1000-10.000 mg/L) thường cho hiệu quả kinh tế cao hơn [44] Hiện tại, công nghệ ứng dụng phổ biến nhất để xử lý nước cấp nhiễm mặn thành nước uống trực tiếp là công nghệ màng thẩm thấu ngược (RO – Reverse Osmosis) hoặc màng nano (NF - Nano Filtration) So với màng NF, màng RO cho nước đầu ra với chất lượng tốt hơn, phù hợp để sử dụng làm nước uống trực tiếp, mặc dù có giá thành cao hơn và khả năng thu hồi nước thấp hơn Để có thể sử dụng cho mục đích ăn uống, nước sau khi qua hệ thống lọc RO phải

đạt tiêu chuẩn QCVN 6-1:2010/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với nước khoáng

thiên nhiên và nước uống đóng chai) Thực tế cho thấy chất lượng nước đầu ra của hệ

thống lọc RO phụ thuộc đáng kể vào tính chất của nguồn nước cấp; vì vậy các mô đun tiền xử lý như lọc micro (MF) hoặc siêu lọc (UF) thường cần phải được bổ sung để đảm

bảo cho hệ thống màng RO (i) hoạt động ổn định với chi phí năng lượng tối ưu (ii) nước đầu ra đạt tiêu chuẩn, (iii) có tần suất rửa màng thấp giúp vận hành đơn giản [6, 24, 37] Chất lượng nước cấp (feed stream) quyết định đáng kể đến cấu hình thiết kế và hiệu quả hoạt động của hệ thống lọc RO hoàn chỉnh Lưu lượng dòng cấp và dòng thải là các thông số thiết kế quan trọng, thay đổi tùy theo chất lượng nguồn nước cấp, quyết định hiệu suất vận hành và hiệu quả kinh tế của hệ thống lọc RO Nước cấp có chất lượng tốt cho phép vận hành hệ thống RO với lưu lượng dòng cấp cao và lưu lượng dòng thải thấp, từ đó có thể giảm số lượng các mô-đun màng trong cấu hình hệ thống RO [36] Riêng đối với nguồn nước nhiễm mặn, công nghệ lọc RO thường được lựa chọn do thuận lợi về mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các công nghệ sử dụng nhiệt khác như công nghệ khử mặn nhiều giai đoạn MSF (Multi Stage Flashing) hay công nghệ chưng cất MED (Multi Effect Distillation) [15, 42, 46] Nghiên cứu trước đây cho thấy chi phí tiêu thụ năng lượng chiếm khoảng 45% tổng chi phí vận hành của hệ thống RO [12] Phần lớn năng lượng tiêu tốn cho nhu cầu tăng áp dòng cấp vào mô-đun màng RO Hệ thống RO lọc nước lợ có thể cần vận hành với áp suất lên đến 400 psi [1] với năng lượng tiêu tốn tỷ lệ nghịch với công suất, dao động lớn từ 0,2 đến 25,6 kWh/m3 tùy vào cấu hình thiết kế [55] Nghiên cứu khác cũng cho thấy chi phí đầu tư vào nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống RO ở các vùng nông thôn chiếm khoảng 60% tổng ngân sách đầu tư [60]

Quy trình thiết kế và vận hành các hệ thống lọc RO còn nhiều hạn chế, chưa được tối ưu sao cho phù hợp với từng nguồn nước đầu vào Việc sử dụng các công cụ hiện đại trong quá trình thiết kế nhằm tối ưu hóa hệ thống chưa được quan tâm phát triển Nhận thấy hạn chế trong thiết kế hệ thống lọc RO quy mô nhỏ nhằm đáp ứng nhu cầu nước uống thực tế cho người dân ở vùng có nguồn nước cấp nhiễm mặn, đề tài “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 Tri, Bến Tre” được thực hiện

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá tính khả thi trong ứng dụng phần mềm WAVE thiết kế hệ thống lọc nước sử dụng công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) quy mô nhỏ (công suất 0,3 m3/giờ) để xử lý nguồn nước cấp nhiễm mặn tại các trường học thuộc huyện Ba Tri, Bến Tre

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau:

‐ Nội dung 1: Ứng dụng phần mềm WAVE xác định thành phần thiết kế của hệ thống RO khử mặn nước cấp

‐ Nội dung 2: Đánh giá thực nghiệm hiệu quả vận hành đối với nguồn nước giả lập và nguồn nước thực tế tại Ba Tri, Bến Tre

‐ Nội dung 3: Đề xuất quy trình ứng dụng phần mềm WAVE trong thiết kế hệ thống lọc nước RO khử mặn nước cấp

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm:

− Nguồn nước cấp nhiễm mặn thuộc địa bàn huyện Ba Tri, Bến Tre − Phần mềm WAVE hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống RO − Hệ thống RO lọc nước cấp nhiễm mặn

quy mô nhỏ có hiệu quả vận hành theo nhu cầu thực tế sẽ là một giải pháp hữu ích mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật nhất định

Phần mềm WAVE được biết đến như một công cụ hỗ trợ quá trình thiết kế hệ thống lọc sử dụng công nghệ RO hiện đại, giúp tối ưu hóa cấu kiện và tiết kiệm thời gian Việc áp dụng phần mềm WAVE vào quá trình thiết kế hệ thống RO ở Việt Nam là bước phát triển mới đáp ứng nhu cầu thiết kế và nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp tối ưu, tính chính xác và hiệu quả cao trong công tác thiết kế hệ thống Do WAVE được phát triển bởi chính công ty sản xuất màng lọc nước RO có thị phần khá lớn trên thế giới (Dow Filmtec Company), thư viện dữ liệu về loại đơn vị màng và các thông số kỹ thuật đi kèm cũng được tích hợp đầu đủ và cập nhật liên tục trong WAVE, từ đó giúp quy trình thiết kế được đơn giản và thuận lợi hơn so với các phần mềm được lập trình riêng lẻ khác, thường đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lập trình và tính toán

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Huyện Ba Tri thuộc tỉnh Bến Tre là địa phương vùng xa còn nhiều khó khăn do thường xuyên trong tình trạng thiếu nước sạch Các cơ sở trường học trên địa bàn huyện chưa có hệ thống nước sạch để phục vụ học sinh và giáo viên, chủ yếu sử dụng nguồn nước uống đóng bình của một số cơ sở sản xuất trong huyện để cung cấp nước uống và nấu ăn cho học sinh và giáo viên Tuy nhiên, việc đảm bảo chất lượng nước đóng bình tại các cơ sở sản xuất của địa phương theo quy chuẩn về chất lượng nước ăn uống (QCVN 01:2009/BYT) và chất lượng nước khoáng thiên nhiên và nước đóng chai (QCVN 6-1:2010/BYT) là một vấn đề chưa được kiểm soát chặt chẽ do quy mô sản xuất của các cơ sở còn nhỏ lẻ Vì vậy, hệ thống lọc nước sau khi lắp đặt tại địa phương nếu vận hành hiệu quả về cả kinh tế và kỹ thuật có thể giúp các trường học tại địa phương giải quyết đáng kể nhu cầu dùng nước sạch cho ăn uống

Kết quả nghiên cứu này có thể được mở rộng chuyển giao để ứng dụng thực tế trong xử lý nước cấp nhiễm mặn thành nước uống trực tiếp cho người dân ở những vùng dân cư ven biển đang chịu ảnh hưởng do tình trạng xâm nhập mặn

1.6 Tính mới của đề tài

Nhu cầu nước ngọt đáp ứng cho sinh hoạt của người dân thuộc địa bàn các huyện ven biển đang là một vấn đề lớn khi mà tình trạng xâm nhập mặn nước mặt ở khu vực ĐBSCL ngày càng nghiêm trọng Đỉnh điểm vào mùa khô năm 2020, nước mặn xâm nhập sâu vào kênh rạch, nước cấp từ hệ thống cấp nước vẫn nhiễm mặn với nồng độ cao Trước tình hình đó, một số hệ thống lọc nước lợ thương mại đã được lắp đặt cho các trường học trên điạ bàn huyện Ba Tri để phục vụ nhu cầu nước uống cho học sinh

Tuy nhiên, đến thời điểm hiện tại, hơn 90% các hệ thống lọc nước đã hư hại nghiêm trọng, do các hệ thống lọc nước sẵn có trên thị trường chưa tối ưu để lọc nước có độ mặn trung bình (2 – 5 o/oo) trong thời gian dài Vì vậy, nhu cầu đưa vào ứng dụng thực tế hệ thống RO có cấu hình tối ưu mang lại hiệu quả sử dụng lâu dài có khả năng xử lí nguồn nước nhiễm mặn phục vụ nhu cầu nước uống của học sinh là thiết thực

Bên cạnh đó, một quy trình thiết kế hệ thống lọc nước lợ RO quy mô nhỏ cũng rất cần thiết để có thể áp dụng đối với chất lượng nguồn nước cấp dao động thường xuyên tại địa phương Với quy trình thiết kế đơn giản nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả cần thiết, địa phương có nhiều thuận lợi trong lên kế hoạch cho các dự án lắp đặt tương tự với hiệu quả kinh tế và kỹ thuật như mong đợi Ngoài mục tiêu đánh giá và so sánh hiệu quả vận hành của hệ thống RO được lắp đặt dựa vào kết quả thiết kế của WAVE, nội dung nghiên cứu này là một phần của đề tài cấp ĐHQG hướng đến mục tiêu đề xuất được giải pháp hữu ích trong thiết kế cấu hình hệ thống lọc RO quy mô nhỏ xử lý nước cấp nhiễm mặn thành nước uống đạt các tiêu chuẩn hiện hành và hoạt động ổn định đối với tình trạng chất lượng nước cấp biến động độ mặn theo mùa Hiện nay, các quy trình thiết kế thông thường dựa vào kinh nghiệm, với mục tiêu hàng đầu đáp ứng các chỉ tiêu về công suất và chất lượng nước đầu ra mà ít quan tâm đến vấn đề tối ưu hóa chi phí và các định hướng phát triển công nghệ môi trường bền vững Bên cạnh đó, cấu hình thiết kế hệ thống RO quy mô nhỏ xử lý nguồn nước có độ mặn thấp vẫn chưa được quan tâm đáng kể nhằm đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tiễn trong các dự án quy mô nhỏ Vì vậy, nghiên cứu này tập trung vào mục tiêu thiết kế hệ thống RO quy mô công suất 0.3 m3/giờ và đánh giá sự khác biệt về hiệu quả vận hành mô phỏng với phần mềm WAVE và hiệu quả vận hành thực tế Hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm lượng nước thải ra môi trường được đặc biệt chú trọng trong nghiên cứu này Tính khả thi ứng dụng phần mềm WAVE cho mục đích thiết kế các hệ thống lọc nước lợ RO quy mô nhỏ ở Bến Tre nói riêng và các khu vực ven biển Việt Nam nói chung cũng được làm rõ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 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:

R : Hằng số khí, R=0,082 (J/mol.K)

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 phân tử nước còn cho phép các ion có kích thước nhỏ hơn 0.001 µm đi qua Màng lọc UF (màng siêu lọc) cho phép cả các ion nhỏ hơn 0.01 µm đi qua (Hình 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]

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 5oC 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 5m3/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]

Trước đây, các quy trình màng áp suất thấp như vi lọc (MF) và siêu lọc (UF) đã được sử dụng làm tiền xử lý cho hệ thống RO So với các quy trình thông thường có bổ sung hóa chất (keo tụ và hấp phụ), công nghệ màng áp suất thấp thường được lựa chọn do có khả năng cung cấp chất lượng nước cấp phù hợp và đầy đủ cho hệ thống lọc RO Đối với các hệ thống BWRO có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, các mô-đun tiền xử lý MF hoặc UF giúp tiết kiệm diện tích lắp đặt đồng thời yêu cầu lắp đặt và bảo trì đơn giản Ứng dụng tiền xử lý bằng công nghệ NF cho hệ thống BWRO có thể đảm bảo chất lượng nước cấp tốt hơn nhưng dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn so với mô-đun MF/UF Các nghiên cứu trước đây cũng cho thấy rằng hiệu suất của bơm cao áp quyết định mức tiêu thụ năng lượng và có khả năng ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi nước sạch của hệ thống lọc BWRO Những cải tiến về thành phần và cấu trúc màng lọc và việc ứng dụng thiết bị thu hồi năng lượng (EDR) trong 50 năm qua đã làm giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của các hệ thống lọc mặn nước biển sử dụng công nghệ RO (SWRO)

2.1.2 Hiệu quả xử lý nguồn nước cấp nhiễm mặn bằng hệ thống RO quy mô nhỏ

Hệ thống lọc RO thông thường được thiết kế để vận hành theo chế độ liên tục (plug-flow) với áp suất dòng vào cố định Hiệu suất thu hồi nước sạch (recovery) của hệ thống RO vận hành liên tục được tính như sau:

𝑅 (%) = ∫ 𝑄𝑝𝑑𝑡

Trong đó:

R : hiệu suất thu hồi nước sạch (%)

Qp : lưu lượng dòng thấm trong một chu kỳ vận hành (m3/giờ) Qf : lưu lượng dòng cấp (m3/giờ)

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi nước sạch của hệ thống RO vận hành chế độ liên tục bao gồm số lượng màng lọc và các thông số kỹ thuật giới hạn của màng lọc như lưu lượng dòng vào tối đa, áp suất dòng vào tối đa và hiệu suất thu hồi tối đa của màng (15-20%) Áp suất vận hành của hệ thống RO thiết kế vận hành liên tục bằng tổng của áp suất thẩm thấu của dung dịch, áp suất vận hành hệ thống (NDP – net driving pressure) và phần sụt áp qua màng Việc tăng số lượng lõi lọc trong mỗi mô-đun RO thành phần giúp tăng hiệu suất thu hồi nước sạch của hệ thống RO thiết kế vận hành liên tục Cho đến nay, tùy vào cấu hình thiết kế và chất lượng nguồn cấp, hiệu suất thu hồi nước sạch của hệ thống RO có thể dao động từ 50 % đến 85 %, phần lớn ở mức 75% Trong các hệ thống lọc quy mô lớn gồm nhiều mô-đun RO thành phần, số lượng các lõi lọc trong mỗi mô-đun sẽ giảm dần tương ứng với sự giảm lưu lượng dòng từ đầu đến cuối hệ thống, nhưng vẫn đảm bảo tốc độ dòng cross-flow trong giới hạn thích hợp Vì vậy, lưu lượng vận hành thấp của các hệ thống RO quy mô nhỏ là vấn đề cần lưu tâm nếu lựa chọn vận hành theo chế độ liên tục do không thể đảm bảo duy trì vận tốc dòng cross-flow tối ưu, kết quả làm tăng khả năng bẩn màng và gây ra hiện tượng phân cực nồng độ lớn giữa các đơn vị màng trong hệ thống Bên cạnh đó, việc bổ sung thiết bị thu hồi năng lượng (ERD) thực tế là không cần thiết cho hầu hết các hệ thống RO quy mô nhỏ có mức năng lượng thấp của dòng thải do làm tăng chi phí đầu tư trong khi hiệu quả thu hồi thấp Ngược lại, nếu dòng thải cao áp bị loại bỏ sớm trước khi đạt được hiệu suất thu hồi nước sạch mong muốn trong các hệ thống RO quy mô nhỏ, do số lượng màng ít, sẽ gây lãng phí năng lượng, giảm hiệu quả kinh tế

Hiệu suất khử muối (salt rejection) cũng là thông số quan trọng đánh giá hiệu quả của hệ thống RO Nhìn chung, hiệu suất loại muối giảm theo thời gian sử dụng, được tính như sau:

𝑟 (% ) = [𝐶𝑓−𝐶𝑝

Trong đó:

r : hiệu suất khử muối (%)

Cf : Nồng độ muối hoặc TDS trong dòng cấp (mg/L)

Cp : Nồng độ muối hoặc TDS trong dòng thấm (mg/L)

Các ion có hóa trị lớn thường có phần trăm loại bỏ cao hơn so với các ion hóa trị I Ngoài điện tích ion, hiệu suất khử muối còn phụ thuộc vào các tính chất của chất tan như độ phân li, phân tử lượng, độ phân cực, độ hydrat hóa, độ phân nhánh trong cấu trúc phân tử Màng RO không có khả năng loại bỏ các thành phần khí trong nước (Bảng 2.1)

Bảng 2.1 Khả năng loại bỏ của màng RO thương mại ở nhiệt độ phòng [36]

Hình 2.8 Nồng độ dòng thấm và dòng thải thay đổi theo hiệu suất thu hồi [36]

Năng lượng tiêu thụ tỷ lệ thuận với áp suất vận hành của hệ thống RO Áp suất vận hành hệ thống RO vận hành chế độ liên tục phụ thuộc một số yếu tố như: (1) trở lực thủy lực của màng và thông lượng qua màng, (2) chênh lệch áp suất thẩm thấu của dung dịch ở đầu và cuối hệ thống, (3) sự gia tăng chênh lệch áp suất thẩm thấu do hiện tượng phân cực nồng độ dòng vào, và (4) trở kháng phát sinh do bẩn màng Áp suất vận

hành của hệ thống RO với chế độ liên tục phụ thuộc vào áp suất thẩm thấu tối đa, chính là áp suất thẩm thấu của đơn vị màng nằm cuối hệ thống quy mô lớn với độ mặn dòng vào cao nhất (công suất > 100 m3/ngày) Kết quả là áp suất vận hành của các hệ thống RO lọc nước nhiễm mặn có quy mô lớn thường vượt quá áp suất thẩm thấu của các đơn vị màng đầu tiên, dẫn đến thất thoát năng lượng lớn Vì vậy, chế độ vận hành liên tục không phù hợp cho các hệ thống RO lọc nước nhiễm mặn có quy mô nhỏ, vốn yêu cầu khắt khe hơn về tối ưu hóa năng lượng tiêu tốn Những yếu tố vừa phân tích góp phần khẳng định ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu các hệ thống lọc RO lọc nước nhiễm mặn quy mô nhỏ để có thể đạt được mục tiêu kép liên quan đến hiệu quả kỹ thuật và kinh tế

Công suất tiêu thụ điện năng được tính theo công thức:

màng và khả năng bẩn màng Nếu dòng thải được tuần hoàn kín hoàn toàn (100% lưu lượng tuần hoàn), lưu lượng nước cấp trung bình và lưu lượng dòng thấm trung bình bằng nhau

Hiệu suất thu hồi của hệ thống lọc RO tuần hoàn dòng thải có thể được tính như sau:

𝑅ℎệ 𝑡ℎố𝑛𝑔(%) = ∫ 𝑄𝑝𝑑𝑡

∫ 𝑄0𝑡 𝑓𝑑𝑡+ 𝑉𝑟ử𝑎

Trong đó:

Rhệ thống: hiệu suất thu hồi nước sạch (%)

Qp : lưu lượng dòng thấm trong một chu kỳ vận hành (m3/giờ) Qf : lưu lượng dòng cấp (m3/giờ)

Vrửa : thể tích nước cấp dùng cho mục đích sục rửa hệ thống sau một chu kỳ vận hành tuần hoàn (m3)

t: thời gian của một chu kỳ vận hành (giờ)

Bên cạnh đó, hiệu suất thu hồi qua mỗi lần lọc của hệ thống lọc RO (hay còn gọi là hiệu suất thu hồi của mô-đun) với dòng thải tuần hoàn có thể được tính như sau:

Qrc : lưu lượng dòng thải tuần hoàn

Lưu lượng dòng thải đóng vai trò quan trọng, giúp giảm thiểu tình trạng bẩn màng Đối với các hệ thống RO vận hành liên tục, việc loại bỏ dòng thải gây thất thoát năng lượng và lãng phí nước, mặc dù giúp tăng thời gian sử dụng màng Trong các hệ thống RO quy mô nhỏ xử lý nguồn nước có độ mặn thấp, tuần hoàn dòng thải được xem là một phương pháp hữu ích trong việc giảm thiểu nguồn năng lượng tổn thất, tăng hiệu suất thu hồi nước sạch của hệ thống RO đồng thời làm tăng tốc độ dòng ngang làm giảm khả năng bẩn màng Một phần dòng thải được tuần hoàn và phối trộn với dòng cấp đi vào hệ thống RO theo tỷ lệ được định nghĩa như sau:

𝑅𝐶 = 𝑄𝑟𝑐

Trong đó,

RC : tỷ lệ tuần hoàn dòng thải

Qrc : lưu lượng dòng thải tuần hoàn (m3/giờ) Qf : lưu lượng dòng cấp (m3/giờ)

Áp suất dòng vào của hệ thống RO với dòng thải tuần hoàn được tính tương tự như cấu hình thiết kế thông thường Tuy nhiên, áp suất thẩm thấu trong một chu kỳ vận hành tăng dần theo số lần tuần hoàn dòng thải Trong khi đó, áp suất vận hành tỷ lệ nghịch với hiệu suất thu hồi, vì vậy thiết kế tuần hoàn dòng thải cần phải kiểm soát áp suất dòng vào bằng bơm tuần hoàn để đạt hiệu quả sử dụng điện năng tối ưu Đối với hệ thống tuần hoàn 100% dòng thải, phần năng lượng thất thoát duy nhất là do thải bỏ nước thải ở cuối chu kỳ và thường không đáng kể Chính vì vậy, không cần bổ sung thiết bị giúp thu hồi năng lượng (ERD) trong hệ thống tuần hoàn dòng thải hoàn toàn

So với chế độ vận hành liên tục, chế độ tuần hoàn dòng thải phù hợp hơn với các hệ thống RO quy mô nhỏ Như đã đề cập trước đó, lưu lượng nhỏ trong các hệ thống quy mô nhỏ không đủ lớn để duy trì vận tốc dòng chảy ngang cần thiết trong kênh màng, vốn có tác dụng ngăn ngừa bẩn màng và phân cực nồng độ trước và sau các lõi lọc Với số lượng lõi lọc ít, các hệ thống RO quy mô nhỏ hoạt động liên tục không thể đạt hiệu suất thu hồi nước sạch như mong đợi Giải pháp duy nhất để tăng hiệu suất thu hồi của các hệ thống quy mô nhỏ là khử mặn nhiều lần (tuần hoàn dòng thải) Vận hành dòng thải tuần hoàn cho phép kiểm soát vận tốc dòng chảy ngang, do đó đặc biệt cần thiết đối với nguồn nước thô có chất lượng kém dễ gây bẩn màng Ngoài ra, tuần hoàn kín dòng thải cao áp cũng giúp đạt được hiệu quả năng lượng Vì vậy, ứng dụng chế độ tuần hoàn dòng thải trong khử mặn nước cấp với quy mô nhỏ đảm bảo giải quyết được ba vấn đề: (1) tăng hiệu suất thu hồi nước sạch mà không tăng số lượng màng, (2) bảo tồn năng lượng với dòng thải cao áp, và (3) giúp kiểm soát vận tốc dòng chảy ngang khi xử lý lưu lượng nguồn nước có chất lượng kém Tỷ lệ phối trộn giữa dòng thải tuần hoàn và nước cấp được lựa chọn phải phù hợp với tỷ lệ thu hồi qua mỗi lần lọc (Rmô-đun) của hệ thống lọc RO (thường từ 15 – 20%) và công suất bơm tuần hoàn dòng thải Vì vậy, tỷ lệ phối trộn thực nghiệm thường nằm trong khoảng 4:1 đến 6:1 [14]

2.1.4 Ứng dụng phần mềm WAVE để thiết kế và đánh giá hiệu quả vận hành của hệ thống lọc RO xử lý nước nhiễm mặn quy mô nhỏ

Cho đến nay, việc thiết kế các hệ thống lọc RO thường dựa vào kinh nghiệm và kết quả của các thử nghiệm quy mô pilot với mức độ hạn chế do tốn kém chi phí và thời gian Để đảm bảo hiệu quả kinh tế và vận hành tối ưu, các hệ thống lọc RO với cấu trúc mô-đun cần được thiết kế phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và quy mô sử dụng cụ thể Cấu hình và chế độ vận hành của các hệ thống lọc nước lợ quy mô lớn không phù hợp đối với các hệ thống RO lọc nước nhiễm mặn có quy mô nhỏ (công suất dưới 5m3 nước sạch/ngày) Các yếu tố kỹ thuật chính quyết định sự khác biệt giữa các quy mô khác nhau bao gồm áp suất vận hành, tốc độ dòng cross-flow, số lượng màng lọc và hiệu suất thu hồi nước sạch

Để tăng hiệu suất thu hồi nước sạch, các hệ thống RO lọc nước lợ có quy mô lớn thường được thiết kế với nhiều mô-đun sắp xếp đảm bảo duy trì vận tốc dòng cross-flow ở mức cần thiết để hạn chế hiện tượng bẩn màng, trong đó mỗi mô-đun gồm nhiều đơn vị màng nối tiếp Dòng thải của màng phía trước là dòng vào của đơn vị màng tiếp theo trong mỗi mô-đun Số lượng đơn vị màng trong các mô-đun giảm dần theo xu hướng giảm lưu lượng tổng dọc theo hệ thống, tỷ lệ thuận với lượng nước sạch thu hồi sau mỗi mô-đun Bơm tăng áp thường được thiết kế giữa các mô-đun để bổ sung phần áp sụt của dòng thải Năng lượng còn lại trên dòng thải cuối cùng của hệ thống lọc RO quy mô lớn có thể được thu hồi hiệu quả nếu sử dụng thiết bị thu hồi năng lượng (ERD) [50] Áp suất vận hành của mô hình thiết kế như trên được xác định dựa vào mức áp suất thẩm thấu cao nhất trong hệ thống, chính là áp suất thẩm thấu của đơn vị màng cuối cùng với độ mặn dòng vào cao nhất Kết quả là áp suất vận hành của các hệ thống RO lọc nước lợ có quy mô lớn thường vượt quá áp suất thẩm thấu của các đơn vị màng đầu tiên, dẫn đến thất thoát năng lượng lớn

Bên cạnh đó, việc bổ sung thiết bị thu hồi năng lượng (ERD) là không cần thiết cho hầu hết các hệ thống RO quy mô nhỏ có mức năng lượng thấp của dòng thải do làm tăng chi phí đầu tư trong khi hiệu quả thu hồi thấp Ngược lại, nếu dòng thải cao áp bị loại bỏ sớm trước khi đạt được hiệu suất thu hồi nước sạch mong muốn trong các hệ thống RO quy mô nhỏ, do số lượng màng ít, sẽ gây lãng phí năng lượng, giảm hiệu quả kinh tế Do đó, những cấu hình thiết kế và chế độ vận hành của hệ thống RO lọc nước lợ có quy mô lớn không phù hợp cho các hệ thống RO có quy mô nhỏ,vốn yêu cầu khắt khe hơn về tối ưu hóa lượng năng lượng tiêu tốn , hiệu quả thu hồi nước sạch và khả năng bẩn màng Những yếu tố vừa phân tích cho thấy việc thiết kế các hệ thống lọc RO quy mô nhỏ rất cần được quan tâm để có thể đạt được mục tiêu kép về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế

Hình 2.9 Giao diện thiết kế của phần mềm WAVE

Trong khi đó, phần mềm WAVE (Water Application Value Engine) là phần mềm thiết kế hệ thống lọc màng được phát triển bởi công ty sản xuất màng RO nổi tiếng thế giới Dow Filmtec Company (Hình 2.9) Đây là phần mềm tích hợp cho phép lựa chọn hệ thống lọc nước ứng dụng các công nghệ hàng đầu như siêu lọc (UF) , thẩm thấu ngược (RO) và trao đổi ion (IX), giúp tiết kiệm thời gian và hỗ trợ quá trình thiết kế tốt nhất WAVE là một giao diện thiết kế chung cho nhiều công nghệ lọc khác nhau giúp đơn giản hóa quy trình thiết kế và mô phỏng kết quả với đầy đủ các thông số hệ thống Đối với công nghệ lọc RO, WAVE cung cấp lựa chọn thiết kế đa dạng như hoàn lưu dòng thải đối với từng mô-đun, thiết lập cài đặt đối với từng đơn vị màng trong mỗi mô-đun (internally staged design – ISD), tách dòng thấm đối với cấu hình ISD, thiết kế đường ống phụ để rửa màng, báo cáo tình trạng giảm áp qua màng và cảnh báo lỗi thiết kế gây ảnh hưởng hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống lọc Một số lựa chọn cơ bản để thiết kế hệ thống lọc RO trong WAVE bao gồm cấu hình mô-đun lọc, loại màng lọc, áp suất vận hành, hiệu suất bơm, chất lượng nước đầu vào, lưu lượng dòng vào, tỷ lệ thu hồi, tỷ lệ hoàn lưu, và chất lượng nước đầu ra Vì vậy, ứng dụng WAVE hỗ trợ cho thiết kế hệ thống lọc RO là lựa chọn khả thi và hiệu quả giúp xác định cấu hình thiết kế và chế độ vận hành phù hợp trước khi tiến hành lặp đặt hệ thống thực tế Cụ thể, WAVE cho phép đánh giá các lựa chọn khác nhau liên quan kích thước màng lọc (màng lọc 4 inch hay 8 inch), quy mô hệ thống lọc (quy mô nhỏ với mô-đun ROSC hay quy mô lớn), chế độ vận hành (liên tục hay tuần hoàn thải như CCRO)

Các bước cơ bản mà WAVE yêu cầu người dùng cung cấp và lựa chọn trước khi phần mềm có thể xuất kết quả mô phỏng bao gồm:

1 Chọn công nghệ và thông số thiết kế cơ bản (home): WAVE yêu cầu người dùng lựa chọn loại nước cấp cần xử lý (nước đã qua tiền xử lí, nước mặt, nước cấp đô thị…) cùng với các công nghệ tích hợp trong hệ thống xử lý (siêu lọc (UF) , thẩm thấu ngược (RO) bao gồm RO, ROSC, CCRO) và trao đổi ion (IX)) Tùy vào yêu cầu thiết kế, người dùng cần cung cấp lưu lượng dòng cấp hoặc dòng thấm Nếu thông số thiết kế là lưu lượng dòng thấm thì WAVE sẽ tính toán để đưa ra lưu lượng dòng cấp phù hợp và ngược lại Nhờ vậy, WAVE có thể giúp tính toán lưu lượng dòng cấp phù hợp với cấu hình hệ thống được lựa chọn để đạt được yêu cầu thiết kế Đơn vị đo của các thông số như lưu lượng, áp suất nhiệt độ và thông lượng cũng được thiết lập phù hợp theo nhu cầu người dùng

Hình 2.10 Giao diện lựa chọn cấu hình hệ thống (home) của phần mềm WAVE

2 Chất lượng nước cấp (feed water): WAVE yêu cầu người dùng cung cấp các thông số về nồng độ các thành phần ion, nhiệt độ, độ pH, độ đục, TSS, tổng carbon hữu cơ Đây là thông tin quan trọng giúp WAVE có thể mô phỏng chính xác chất lượng nước thu hồi và nước thải Đặc biệt, WAVE còn cho phép thiết lập nguồn cấp vào hệ thống được phối trộn từ tối đa sáu dòng cấp khác nhau với tỷ lệ phối trộn xác định có thể điều chỉnh tùy yêu cầu thực tế, đây là cơ sở để thiết lập điều kiện mô phỏng chế độ vận hành với dòng thải hoàn lưu

Hình 2.11 Giao diện cung cấp các thông số dòng cấp (feed) của phần mềm WAVE

3 Lựa chọn màng lọc và điều kiện vận hành: thứ tự sắp xếp các đơn vị màng trong mô-đun RO được thiết lập trong bước này Đối với hệ thống lọc quy mô nhỏ ROSC, WAVE cung cấp lựa chọn với tối đa năm đơn vị màng lọc liên tiếp cho một kênh màng Một trong những lựa chọn thiết kế là cấu hình nối tiếp với dòng thải của màng lọc trước là dòng cấp cho màng lọc tiếp theo, giúp tăng hiệu suất thu hồi Lựa chọn khác có thể là cấu hình với dòng thấm của màng lọc trước tiếp tục là dòng cấp cho màng lọc sau, giúp tăng độ tinh khiết của sản phẩm Người dùng có thể thiết lập loại màng lọc và các thông số vận hành như nhiệt độ và áp suất Hệ số dòng chảy (flow factor) được lựa chọn trong khoảng 0,6 – 1,0 tùy vào thời gian sử dụng [21]

Hình 2.12 Giao diện lựa chọn màng và thông số hệ thống của phần mềm WAVE

4 Xuất kết quả: WAVE chỉ xuất kết quả mô phỏng khi các thông số cơ bản đã được cung cấp đầy đủ Kết quả xuất được gồm mô hình thiết kế dòng của hệ thống; bảng tóm tắt các thông số thiết kế của hệ thống; bảng tóm tắt các thông số được mô phỏng bao gồm áp suất dòng, lưu lượng dòng, hiệu suất thu hồi, chất lượng nước, điện năng tiêu thụ, …; bảng thông tin cảnh báo vượt giới hạn kỹ thuật của màng lọc hoặc khả năng bẩn màng từ mức độ bảo hòa chất tan trong nước

Hình 2.13 Giao diện xuất kết quả của phần mềm WAVE

2.2 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 Suất Tiêu Thụ Điện

1 Máy lọc nước RO Karofi KSI80-A

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

3 Máy lọc nước RO Kangaroo KG99A VTU

5.890.000₫ 10-12 lít/giờ

Việt Nam 0.035 kW/h

2 Máy lọc nước RO AOSmith M2 5 lõi

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

7.386.000₫ 15 lít/giờ Hàn Quốc

Nhật Bản 0.23 kW/h

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/m3 và 9,35 kWh/m3 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 m3 nước ngọt/ngày và mức năng lượng tiêu tốn là 1,1 kWh/m3

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 m3 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 µs/cm) bằng công nghệ RO kết hợp pin năng lượng mặt trời có công suất 4 – 5 m3 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