1.4. Hệ thống lọc nước sử dụng màng thẩm thấu chuyển tiếp (FO)
1.4.6. Ứng dụng của công nghệ FO trong xử lý nước
Ứng dụng và phát triển của công nghệ FO trong những năm gần đây chủ yếu là việc sử dụng hệ thống FO hỗn hợp hoặc áp dụng công nghệ FO vào một trong những giai đoa ̣n của quá trình xử lí nước thải.
Hê ̣ thống FO hỗn hợp là hê ̣ thống kết hợp công nghê ̣ thẩm t hấu chuyển tiếp FO cùng với các công nghê ̣ khác trong các ứng du ̣ng sản xuất nước sa ̣ch , xử lý
nước thải công nghiê ̣p, tưới phân, làm giàu protein, khử nước,… nhằm tâ ̣n du ̣ng tất cả các ưu điểm của các công nghệ[10,29].
1.4.6.1. Ứng dụng lọc nước biển và nước lợ
Chủ yếu các ứng dụng của hệ thống FO hỗn hợp được sử dụng trong quá trì nh này là để nghiên cứu về hi ệu quả và phương thức thu hồi dung dịch lôi cuốn để lấy nước tinh khiết với FO đóng vai trò làm quá trình tiền xử lý, các công nghệ khác tiến hành thu hồi nước từ dung dịch lôi cuốn.
25 a) Hê ̣ thống FO-RO
Hệ thống FO-RO dùng công nghệ FO làm quá trình tiền xử lý nước biển.Sau đó, RO sẽ đóng vai trò tách nước ra khỏi dung dịch lôi cuốn.
Hê ̣ thống FO-RO lần đầu tiên được đề xuất bởi Yaeli – người đã phát triển hê ̣ thống kết hơ ̣p giữa quá trình FO và quá trì nh RO sử du ̣ng năng lượng thấp (LPRO) nhằm thu hồi dung di ̣ch lôi cuốn glucose khỏi sản phẩm nước. Trong nghiên cứu này, hê ̣ thống hỗn hợp FO -RO được dùng để thay thế với RO riêng rẽ vốn rất dễ có
tiềm năng dẫn đ ến tắc nghẽn màng .Vì vậy, FO được sử du ̣ng làm quá trình tiền xử
lí nhằm giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn của màng . Sau đó, dung di ̣ch Glucose loãng thu đươ ̣c từ quá trình FO được chuyển tiếp tới quá trình RO , ở đó, màng LPRO sẽ tiến hành tách nước sạch từ dung dịch glucose . Qúa trình thu hồi của hệ thống gặp nhiều ha ̣n chế vì hiê ̣u quả thẩm thấu của Glucose tương đối thấp và vì tro ̣ng lượng phân tử lớn nên dẫn đến chỉ số khuếch tán cao[30].
Sau đó, FO la ̣i tiếp tu ̣c được nghiên cứu trong viê ̣c kết hợp với LPRO trong quá trình khử muối của nước Biển Đỏ . Kết quả cho thấy năng lượng tiêu thu ̣ trong hê ̣ thống FO -LPRO ước tính vào khoảng 1,3-1,5kWh/m3, chỉ bằng một nửa so với hê ̣ thống RO khi hoa ̣t đô ̣ng riêng biê ̣t (2,5-5kWh/m3)[20].Đứng trên phương diện về mô ̣t công nghê ̣ tiết kiê ̣m năng lượng , hê ̣ thống FO -LPRO hoàn toàn là mô ̣t công nghê ̣ đầy triển vo ̣ng và rất đáng quan tâm . Bên ca ̣nh đó, áp lực thủy lực cũ ng có thể
đươ ̣c cung cấp trong quá trình lo ̣c FO (hay còn được go ̣i là áp lực hỗ trợ thẩm thấu chuyển tiếp ) nhằm nâng cao hiê ̣u quả và tiết kiê ̣m chi phí cho quá trình tiếp theo . Ngoài ra, FO còn giúp cho quá trình lo ̣c nước trở nên hiê ̣u qua hơn khi loa ̣i bỏ được tối đa các chất bẩn lơ lửng trong nước . Không chỉ vậy, có nhiều chất rắn hòa tan mà RO không thể lọc bỏ hoàn toàn và đó có thể là những chất rắn có hại cho sức khỏe dù là chỉ với hàm lượng rất nhỏ, ví dụ như một số hợp chất hữu cơ có trong môi trường nước (TrOCs) hoặc boron[20].
Tóm lại, công nghê ̣ FO được sử du ̣ng trong hê ̣ thống FO -RO đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc giảm thiếu tối đa tình trạng tắc nghẽn màng , nâng cao quá trình xử lý nước biển thông thường và tiết kiệm năng lượng.
b) Hê ̣ thống FO-MSF/MED
26
MSF và MSD là hai công nghê ̣ khử muối thường được sử du ̣ng ta ̣i các nước Trung Đông, nơi nước biển thường có đô ̣ mă ̣n cao , nhiê ̣t đô ̣ cao và thành p hần ta ̣p chất lớn. Vì vậy, viê ̣c tiền xử lý cho nước cấp trước khi đưa vào quá trình lo ̣c là vô cùng quan trọng để giảm thiểu nguy cơ tắc nghẽn màng bằng cách loại bỏ các chất hữu cơ tự nhiê n và các chất rắn lơ lửng . Do đó, FO gần đây đã được thử nghiê ̣m làm phương pháp tiền xử lý thay thế để loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ h òa tan trong nước cấp. Altae thực hiê ̣n mô hình FO-MSF và FO-MED để khử nước biển và
quá trình mô phỏng cho thấy FO đươ ̣c sử du ̣ng mô ̣t cách rất hiê ̣u quả cho viê ̣c tiền xử lý để giảm thiểu nồng đô ̣ của các ion đa hóa tri ̣ trong nước cấp[20].
c) Hệ thống FO - NF
Công nghệ màng FO bước đầu được ứng dụng để thay thế cho quá trình khử muối trong nước biển khi kết hợp cùng với màng NF (màng nano).Màng lọc nano là loại màng tách dùng động lực áp suất, lọc nano là quá trình trung gian giữa siêu lọc và thẩm thấu ngược. Màng NF có khả năng tách các phân tử trong khoảng 100 – 1000 Da, cũng như khả năng loại bỏ muối cao nhờ hiệu ứng điện. Hiệu ứng điện cho phép loại bỏ các ion (phần lớn là các ion đa hóa trị), trong khi các thành phần hữu cơ không mang điện có thể được tách nhờ kích thước lỗ màng. Hiện nay, ứng dụng của NF càng trở nên phổ biến, nhờ có những ưu điểm như áp suất vận hành thấp, chi phí đầu tư và vận hành nhỏ và khả năng loại bỏ muối đa hóa trị cao.
Ví dụ, khả năng loại bỏ muối hóa trị 2 của màng NF có thể đến 99%[25].
Tan và Ng (2010) đã tiến hành nghiên cứu mức độ phù hợp của NF để thu hồi các dung dịch lôi cuốn khác nhau (MgCl2, MgSO4, Na2SO4, C6H12O6) đối với hệ thống FO. Thông lượng nước thu được xấp xỉ 10 LMH đối với cả hai quá trình FO và NF. Tỉ lệ loại bỏ muối lớn nhất là 97,9% đối với các dung dịch lựa chọn. Sản phẩm nước thu được có TDS là 113,6 mg/L và đáp ứng tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới về nước uống (TDS < 500 mg/L)[33]. Zhao và cộng sự (2012) đã sử dụng NF để hoàn nguyên các dung dịch lôi cuốn hóa trị hai sau hệ thống FO. Kết quả thu được của hệ thống FO – NF thu được có nhiều ưu điểm hơn so với sử dụng hệ thống RO đơn để khử mặn nước lợ như là áp suất vận hành thấp, hiện tượng tắc màng ít xảy ra, thông lượng dòng cao sau khi làm sạch, hiệu quả thấm nước cao
27
hơn, yêu cầu quá trình tiền xử lý thấp hơn[37]. Su và cộng sự (2012) đã sử dụng màng NF để thu hồi dung dịch sucrose có kích thước phân tử lớn để sản xuất nước sạch từ nước thải bằng quá trình FO, kết quả loại bỏ sucrose đạt 99,6%. Đáng kể hơn, tỉ lệ sản phẩm của FO và NF có thể đạt cân bằng[26]. Hau và cộng sự (2014) chỉ ra rằng khả năng thu hồi muối natri EDTA bằng màng NF đạt 93%[22]. Ge và Chung (2013) cũng sử dụng NF để hoàn nguyên các phức hydro axit citrat sau quá trình FO[15,28]. Áp suất vận hành là 10 bar và tỉ lệ loại bỏ hơn 90% đã được ghi nhận[15,28]. Nhìn chung, quá trình NF là một sự lựa chọn phù hợp để thu hồi các ion đa hóa trị nhờ áp suất vận hành thấp và tỉ lệ loại muối cao.
d) Một số hệ thống khác[8,18,20]: + FO-nhiê ̣t
+ FO- màng chưng cất (MD)
+ FO - màng siêu lọc (UF) với ha ̣t nano biến đổi từ tính (PPA-MNPs) làm chất lôi cuốn
+ FO-từ trường với hạt nano từ tính(MNPs) làm chất lôi cuốn
+ FO-điê ̣n trường- màng nano (NF) với polyelectrolytes làm chất lôi cuốn + FO- NF với axit citric(CAc) làm chất lôi cuốn
+ FO-RO với Glucose làm chất lôi cuốn
+ FO-UF với PAA -MNPs làm dung di ̣ch lôi cuốn : Hiê ̣u quả hơn so với RO - UF, lưu lươ ̣ng nước cao , năng lượng tiêu tốn ít nhưng cần cải thiê ̣n về sự
thấm ngươ ̣c của muối trong dung di ̣ch lôi cuốn.
+ FO-NF với tổng hợp nhiều loa ̣i muối hữu cơ và vô cơ làm chất lôi cuốn : Lưu lươ ̣ng nước cao, khả năng lọc muối tốt , chất lượng của sản phẩm nước tốt.
1.4.6.2. Ứng dụngmàng FO trong xử lý nước thải a) Hệ thống UF-OMBR-FO
Màng lọc sinh học MBR là một sản phẩm công nghệ xử lý nước thải tiên tiến sử dụng hai loại màng áp suất thấp là màng vi lọc MF và màng siêu lọc UF[6]. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của MF và UF là khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ
28
lượng vết như TrOCs, một số ion, virut,…[6]Bên cạnh đó MBRs đòi hỏi nhiều năng lượng để vận hành và khả năng màng bị bám bẩn cao do các chất hữu cơ tự nhiên.
Vì thế, màng FO đã được nghiên cứu để thay thế cho màng MF và UF trong công nghệ MBR với những ưu điểm: sự tiêu thụ năng lượng thấp, nguy cơ tắc nghẽn màng ít, khả năng loại bỏ cao các đại phân tử, ion và các chất hữu cơ tự nhiên có trong nước thải. Từ đó hệ thống OMBRs được phát triển với màng FO được nhúng chìm trong một hệ thống phản ứng sinh học sử dụng bùn hoạt tính vận hành theo chế độ liên tục. Đồng thời, màng RO cũng được kết hợp cùng để xử lý dung dịch DS sau khi bị pha loãng[6].
Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của công nghệ này là sự tích tụ các chất hòa tan bên trong bình phản ứng do hoạt động của màng FO và còn do sự khuếch tán ngược của các chất tan trong dung dịch lôi cuốn. Để giải quyết vấn đề này Wang và Holloway (2012) đã đề xuất một giải pháp đó là đưa một trong hai màng MF/UF kết hợp song song cùng màng FO và đưa vào lò phản ứng sinh. Do đó các chất hòa tan bị loại khỏi lò phản ứng và các hợp chất dinh dưỡng có lợi như nitơ và photpho được giữ lại trong lò từ đó cải thiện hoạt động của các vi sinh vật. Trong vòng 4 tháng nghiên cứu hệ thống UF-OMBR-RO, kết quả nhận được là thông lượng nước nằm trong khoảng từ 3,8 đến 5,7 LMH ở 3 tuần đầu và đạt mức 4,8 LMH trong hơn 80 ngày. Điều đặc biệt là hệ thống không cần phải trải qua quá trình vệ sinh màng trong suốt 120 ngày đó[20].
Ngoài ra các hệ thống như FO-NF và FO-MD sử dụng các muối vô cơ như NaCl, MgCl2 làm chất lôi cuốn cũng được áp dụng trong quá trình xử lý nước thải[20].
1.4.6.3. Ứng dụng xử lý đồng thời nước thải và lọc nước biển
Mô ̣t trong những cách giảm thiểu năng lượng cần tiêu tốn trong quá trình lo ̣c nước biển đó là tâ ̣n dụng nguyên lý thẩm thấu chuyển tiếp của công nghệ FO .Trong công nghê ̣ này , bước đầu tiên là sử du ̣ng nước bẩn làm dung di ̣ch FS và sử du ̣ng nước biển đã qua tiền xử lý làm dung di ̣ch DS . Nước cấp từ FS dưới sự chênh lê ̣ch áp suất thẩm thấu sẽ đi qua màng bán thấm đến dung di ̣ch nước biển có nồng đô ̣ cao hơn nó. Sau đó, dung di ̣ch nước biển trở nên loãng hơn và được chuyển vào xử lý
29
tiếp ở hê ̣ thống RO để sản xuất nước sa ̣ch . Ở giai đoạn xử lý thứ 2, dung di ̣ch nước bẩn đâ ̣m đă ̣c của hê ̣ thống FO ở giai đoa ̣n đầu sẽ tiếp tu ̣c được dùng làm FS ở giai đoa ̣n FO này , còn dung dịch muối đậm đặc sau quá trình RO lúc trước sẽ tiếp tục đươ ̣c sử du ̣ng làm dung di ̣ch lôi cuốn. Dung dịch nước muối được pha loãng lúc này có thể tiếp tục được cho vào lọc bởi công nghệ RO hoặc có thể đổ trở lại môi trường vì lúc này nồng độ của dung dịch không còn gây tác động xấu đến môi trường. Còn dung dịch nước bẩn đậm đặc có thể tiếp tục được tách nước để thu hồi các chất bổ dưỡng phục vụ cho bón phân cây trồng [20].