Hiện tượng xâm nhập mặn, hạn hán do BĐKH, ô nhiễm nguồn nước đang ngày càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động sản xuất nước sạch tại các nhà máy xử lý nước. Nhiều nhà máy xử lý nước cấp phải ngừng hoạt động khi độ mặn nước đầu nguồn tăng cao, nguồn nước bị ô nhiễm không thể khai thác hay cạn kiệt.
Tóm tắt
Nghiên cứu được thực hiện nhằm làm sáng tỏ các vấn đề kỹ thuật, các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ xử lý nước biển và khái quát chi phí vận hành một hệ thống xử lý nước biển. Nghiên cứu thực hiện khảo sát và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước biển công suất 1500 m3/ngày đên tại tại đảo Cát Bà, Hải Phòng, đã chứng minh đầu tư hệ thống xử lý nước sinh hoạt từ nước biển là hoàn toàn khả thi và mang lại hiệu quả cả về kỹ thuật và kinh tế. Mục tiêu mang đến cho các chủ đầu tư, công ty cấp nước, cá nhân có nhu cầu sản xuất nước cấp sinh hoạt từ nước biển sẽ có thêm giải pháp lựa chọn để ứng phó với những khó khăn đang gặp phải trong hoạt động sản xuất và kinh doanh nước sạch, đặc biệt tại những khu vực không có nguồn cung cấp nước ngọt thường xuyên như các đảo xa bờ.
Giới thiệu
Hệ thống cấp nước huyện đảo Cát Bà, Hải Phòng phục vụ cho nhu cầu dung nước của khoảng 11.000 dân cư và 2 triệu du khách/năm (2018). Khi nhu cầu dùng nước tăng cao vào mùa cao điểm du lịch, nguồn nước thô từ hệ thống giếng khoang và các hồ chứa nước mặt tại đảo không đảm bảo trữ lượng cho các nhà máy xử lý nước. Do đó yêu cầu phải có phương án thay thế nguồn nước thô hiện tại để xứ lý cung cấp nước sinh hoạt là rất bức thiết, giải pháp sử dụng nguồn nước biển khử muối dùng cấp nước sinh hoạt được tại đảo Cát Bà được đề xuất trong phạm vi nghiên cứu này.
Cơ sở lý thuyết
Đặc tính nước biển và phương pháp xử lý: Nước biển là nước từ các biển hay đại dương, một số thành tố chính trong nước biển cần quan tâm theo WHO có thể kể đến như: Các yếu tố chính của nước biển . Thành phần độ mặn của nước biển bao gồm các chất hòa tan dưới dạng ion. Do đó, công nghệ xử lý nước biển sẽ tập trung xử lý các chất ion hòa tan, được định lượng bằng tổng chất rắn hòa tan. Trong đó, chiếm phần lớn là (NaCl) hòa tan dưới dạng các ion Na+ và Cl-. Tổng thành phần ion hòa tan của nước biển tại một số vùng biển (hay nồng độ TDS của nước biển) trên trên Thế giới trung bình khoảng 34,500.0 mg/L, nghĩa là cứ mỗi lít (1.000 mL) nước biển chứa khoảng 34,5 gram chất hòa tan.
Xử lý nước biển là quá trình khử mặn bằng cách sử dụng các dạng năng lượng khác nhau. Dựa trên độ mặn của nước và nguồn nước, nước mặn được phân làm hai loại là nước lợ hoặc nước mặn. Quá trình khử muối sẽ thu hồi nước tinh khiết và sản phẩm phụ là dòng nước muối đậm đặc. Hai công nghệ khử muối chính là công nghệ khử muối bằng nhiệt và khử bằng màng lọc thẩm thấu RO.
Công nghệ khử muối bằng nhiệt: Tương tự quá trình chưng cất nước, nước biển được đun nóng, tạo ra hơi nước, lần lượt ngưng tụ để tạo thành nước tinh khiết. Quá trình chưng cất cần nhiệt lượng cao để hóa hơi nước muối, nước thu được có độ tinh khiết cao nên phù hợp với ứng dụng quy trình công nghiệp. Chưng cất nước bằng nhiệt thường không được sử dụng cho nước lợ vì lý do chi phí cao, mà được sử dụng để khử mặn nước biển. Một số công nghệ khử muối bằng nhiệt có thể kể đến Công nghệ phun đa tầng (MSF-Multi Stage Flash); Chưng cất đa hiệu suất (MED-Multi Effect Distillation).
Công nghệ khử muối bằng màng thẩm thấu ngược RO: Màng lọc thẩm thấu ngược RO (Reverse Osmosis) được ứng dụng rộng rãi cho cả nước lợ và nước mặn, cũng như trong quy trình xử lý nước thải và thu hồi/tái sử dụng nước. Việc sử dụng màng RO để xử lý nước biển đã phổ biến hơn trong trong thập kỷ qua, vì vật liệu màng lọc đã được cải tiến và ngày càng cắt giảm chi phí vận hành. Màng RO loại bỏ hiệu quả các ion đơn trị như NaCl, khả năng khử muối rất cao (> 99%).
Một nhà máy khử muối bằng màng RO bao gồm ba phần cơ bản: (1) Tiền xử lý, (2) Hệ thống màng lọc RO và (3) Hậu xử lý.
(1) Tiền xử lý là quá trình lọc thô, loại bỏ các chất lơ lửng có trong nước mặn, các chất này có thể là cát, rong tảo và các vi sinh vật.
(2) Hệ thống màng lọc RO bao gồm các thành phần màng/ống dẫn được đặt trong các bình chịu áp lực cao, nước mặn thông qua bơm tăng áp sẽ đi qua màng lọc. Sản phẩm thu được của hệ thống lọc RO bao gồm nước tinh khiết và sản phẩm phụ là nước muối có độ đậm đặc cao.
(3) Hậu xử lý là quá trình điều chỉnh pH, khử trùng nước và châm bổ sung muối khoáng.
Quy trình khử muối bằng màng lọc thẩm thấu ngược RO
.jpg)
Điện năng tiêu thụ là một yếu tố quan trọng khi cân nhắc lựa chọn đầu tư Hệ thống xử lý nước biển bằng công nghệ RO. Sử dụng thiết bị phục hồi năng lượng ERD là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong hoạt động của bất kỳ hệ thống xử lý nước biển nào. Thiết bị trao đổi áp suất là giải pháp hiệu quả và có thể làm giảm mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống xử lý nước biển RO lên tới 60 phần trăm. ERD là quá trình bơm tái tạo năng lượng khép kín gồm một bộ trao đổi áp suất đẳng áp, bơm áp lực cao và động cơ biến tầng. Nước biển áp lực cao đi qua màng lọc RO, thu được nước tinh khiết và sản phẩm phụ là dòng nước muối áp lực cao. ERD sử dụng áp lực của dòng nước muối áp lực cao và bù áp suất còn thiếu vào màng RO thông qua bơm tăng áp .
Phương pháp khử mặn nước biển thẩm thấu ngược hiện tiêu thụ khoảng 3,5 - 4,2 KWh/m3 sản phẩm (gồm cả điện năng cho bơm hút nước biển đầu vào trong khoảng 0,9 - 1,4 KWh/m3) trong việc khử muối nước biển 3,5% với tỷ lệ thu hồi khoảng 50% , nghiên cứu của cho thấy điện năng tiêu thụ cần cho quá trình xử lý nước cho nước biển Thái Bình Dương trong khoảng 10,0 – 14,0 KWh/kgal (2,6 - 3,7 KWh/m3). Khi tua-bin được sử dụng để thu hồi năng lượng dòng nước muối, năng lượng riêng của RO giảm xuống tới 2,8 kWh / m3 nước sản phẩm. Các thiết bị như bộ trao đổi áp suất có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng hơn nữa xuống còn 2,2 kWh / m3 .
Công trình thu nước biển: Mục đích chính của công trình thu nước biển là cung cấp nguồn nước biển với lưu lượng và chất lượng thích hợp để bảo đảm duy trì hoạt động của nhà máy xử lý nước biển.
Công trình thu nước mặt: Đây là dạng công trình thu đơn giản nhất về mặt kỹ thuật, thiết kế và chi phí. Tùy vào điều kiện địa hình tại vị trí thu nước biển, miệng hút công trình thu có thể lắp đặt trực tiếp tại bờ biển hoặc cần hệ thống cống/mương dẫn nước biển.
Hệ thống giếng khoang bờ biển: Việc sử dụng các hệ thống giếng khoan là một phương pháp để cải thiện chất lượng nước, tăng độ tin cậy hoạt động, giảm bước tiền xử lý nước biển đầu vào từ đó giảm chi phí vận hành. Có nhiều loại hệ thống giếng khoan bờ biển như giếng khoan đứng, giếng khoan xiên, giếng khoan ngang loại Ranney .
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý nước biển bằng phương pháp thẩm thấu ngược RO: Thẩm thấu ngược RO hiện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để khử muối. Năm 2012, phương pháp RO chiếm 63% trên tổng số hệ thống sản xuất nước khử muối trên toàn thế giới, tiếp theo là MSF (23%) và MED (8%) . Có một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thẩm thấu ngược màng lọc RO. Các yếu tố chính cần xem xét là nhiệt độ, áp suất và nồng.
Đối tượng nghiên cứu
Hình 3. Sơ đồ xử lý nước biển công nghệ RO tại Cát Bà
.jpg)
Hệ thống xử lý nước biển tại đảo Cát Bà, Hải Phòng với công suất 1500 m3/ngày đêm, ứng dụng công nghệ màng lọc RO để khử muối. Nguồn nước thô được bơm trực tiếp từ biển có độ mặn trung bình 34,000 ppm tại nhiệt độ nước biển 250C. Nguồn nước thô được bơm trực tiếp từ công trình thu nước mặt. Nước biển có TDS trung bình 34000 ppm tại nhiệt độ nước biển 250C.
Chi tiết công nghệ từng quy trình của Hệ thống như sau:
Tiền lọc UF: Bộ tiền lọc UF là hệ thống lọc thô đầu tiên của công nghệ lọc nước biển, thực hiện chức năng lọc thô, bảo vệ hệ thống lọc UF. Bộ lọc có cấp lọc 55 Micron, hàm lượng lớn chất hữu cơ và rong tảo sẽ bị giữ lại ở bộ lọc này. Hệ thống nghiên cứu sử dụng bộ lọc dạng đĩa của hãng Amiad.
Lọc UF: Màng UF được sử dụng để loại bỏ những yếu tố hạt, kích thước màng UF đủ nhỏ để ngăn chặn virus (khoảng 20 nm). Lọc UF được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước, và như một quy trình tiền xử lý nước của nước cấp trước khi vào màng RO. So với bộ lọc đa tầng truyền thống (than, cát thạch anh...), công nghệ UF có khả năng loại bỏ vi khuẩn đến log6 và vi khuẩn đến log 4(2). Hệ thống cần được trang bị hệ thống rửa ngược bằng hóa chất để ngăn cản sự hình thành màn sinh học trên bề mặt màng lọc. Hệ thống nghiên cứu sử dụng màng lọc UF của hãng DOW.
Lọc RO: Màng thẩm thấu (RO) được sử dụng để loại bỏ hạt rắn hòa tan trong nước biển. Nước biển được bơm ở áp lực cao (70 bar) khi đi qua RO, các tinh thể muối được phân tách. Nước tinh thiết theo hệ thống màng dẫn ra ngoài, trong khi muối được giữ lại. Tỉ lệ nước thu hồi ở quá trình này khoảng 40%-50% tức tỉ lệ nước tinh khiết thu được so với lượng nước muối đầu vào RO đạt 40-50%. Nước muối được giữ lại ở RO, độ mặn tăng lên gấp đôi. Hệ thống này cần được làm sạch bằng hóa chất để chống bám cặn, chu kỳ làm sạch 2-3 lần/năm. Hệ thống nghiên cứu sử dụng màng lọc RO của hãng LG.
Hệ thống bù khoáng: Sự bù khoáng thực hiện trên nước khử muối với mục tiêu bù lại độ cứng mà bị loại bỏ trong suốt quá trình khử muối, điều chỉnh độ pH, nâng cao mùi vị của nước. Sản phẩm được sử dụng là Canxi Carbonate, thành phần chính của khoáng Canxi.
Trong hệ thống sử dụng thiết bị thu hồi năng lượng iSave ERD của hãng Danfoss.
b. Mô phỏng điện năng tiêu thụ
Thiết kế hệ thống xử lý nước biển sử dụng phần mềm để chạy giả định lập trình hệ thống tại những điều kiện nước biển với TDS (mg/L) và nhiệt độ thay đổi.
Kịch bản được thiết lập như sau:
Các kịch bản về mức tiêu thụ năng lượng cụ thể*
.jpg)
Cho nhà máy với một đơn vị xử lý nước biển công suất 1500 m3/ngày đêm (không bao gồm bơm nước biển đầu vào) công suất 63 m3/ h.
Kết quả
Hệ thống xử lý nước biển công suất 1500 m3/ngày đêm tại Cát Bà được đưa vào sử dụng từ tháng 05/2019.
Công trình thu nước biển đầu vào của hệ thống xử lý nước biển tại Cát Bà
.jpg)
Công trình tiền xử lý
Công trình thu nước biển kết hợp hệ thống lọc áp lực để loại bỏ cát biển vào hệ thống xử lý. Hệ thống lọc áp lực loại bỏ cát và chất rắn lơ lửng có kích thước lớn hơn 70 mm trước khi đi vào hệ thống tiền lọc UF.
Hình 5. Hình ảnh hệ thống xử lý nước biển công nghệ RO tại Cát Bà
.jpg)
Hiệu suất xử lý
Tỉ lệ đạt 50%, lưu lượng nước biển cấp vào màng lọc RO 130m3/h, lưu lượng nước tinh khiết sau màng lọc RO là 65m3/h. Điện năng tiêu thụ là 2 KWh/m3 nước sạch sau xử lý. Chất lượng nước sạch sau xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng nước QCVN 01:2009/BYT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống.
Điện năng tiêu thụ
Sau khi hệ thống hoạt động ổn định, điện năng tiêu thụ của toàm bộ hệ thống được ghi nhận là 2KWh/m3 cho 1 m3 nước sau xử lý. Mức điện năng này gần với kết quả mô phỏng bằng phần mềm tại mức TDS 32000 mg/L và Nhiệt độ nước biển 29oC.
Chi phí vận hành của hệ thống
Kết quả tính toán chi phí sản xuất 1 m3 nước thành phẩm như bảng dưới đây, các đơn giá điện, hóa chất, nhân công tính theo đơn giá tiền tại địa phương.
Chi phí vận hành tính trên m3 nước thành phẩm (VND/m³)
.jpg)
Kết luận
Hệ thống xử lý nước biển khử muối dùng công nghệ thẩm thấu ngược ở đảo Cát Bà, Hải Phòng (1500 m3/ngày. đêm) được lấy làm nghiên cứu điển hình. Các thử nghiệm thử nghiệm được thực hiện tại chỗ để đánh giá hiệu suất của nhà máy. Các kết luận sau đây dựa trên quá trình xây dựng và hoạt động của nhà máy khử muối RO:
Do đảo Cát Bà là đảo du lịch, vị trí lắp đặt công trình thu không cho phép lắp xa bờ do ảnh hưởng mỹ quan. Miệng hút gần bờ và đặt đáy biển dẫn đến bơm hút nước biển đầu vào nhiều cát. Giải pháp sử dụng bồn lọc cát tuy hiệu quả nhưng không phải giải pháp triệt để và tối ưu, do bồn lọc cát chỉ hoạt động 8 tiếng liên tục sau đó cần ngưng để rửa lọc. Giải pháp tối ưu nhất để loại bỏ cát khỏi nước biển đầu vào là dùng bồn hydro-cyclone cho phép tách cát liên tục, sẽ được phân tích và ứng dụng trong những nghiên cứu kế tiếp.
Khi áp dụng đầy đủ những yêu cầu quy trình thiết kế cho một hệ thống xử lý nước biển, chất lượng nước đạt yêu cầu theo quy định của QCVN 01:2009/BYT, đảm bảo chất lượng an toàn cấp nước.
Điện năng tiêu thụ khi vận hành thực tế tại mức TDS 34.000 mg/L và Nhiệt độ nước biển 28,5 oC là 2,0 KWh/m3 gần với kết quả mô phỏng bằng phần mềm tại mức TDS 32000 mg/L và Nhiệt độ nước biển 29 oC. Điều này cho thấy mô phỏng bằng phần mềm cho kết quả có độ chính xác cao và có thể dùng làm căn cứ để thiết kế, lập dự báo kinh tế - kỹ thuật cũng như đánh giá tính khả thi cho dự án đầu tư Hệ thống xử lý nước biển.
Phân tích chi phí của Hệ thống xử lý nước biển cho thấy các yếu tố chính ảnh hưởng đến chi phí sản xuất là chi phí tiêu thụ điện năng (61%) và vật tư tiêu hao (20%) tổng chi phí. Điều này cho thấy chủ đầu tư cần cân nhắc kỹ đến giá điện tại địa phương khi quyết định đầu tư Hệ thống xử lý nước biển dùng công nghệ thẩm thấu ngược RO.
Hệ thống xử lý nước biển tại đảo Cát Bà mang đến cho các chủ đầu tư, công ty cấp nước, cá nhân có nhu cầu sản xuất nước cấp sinh hoạt từ nước biển có thêm cái nhìn tổng quan về khử muối bằng thẩm thấu ngược. Tài liệu tham khảo về kỹ thuật, tài chính để quyết định phương án đầu tư tại những vùng tương tự thiếu nước sạch, đặc biệt là các đảo xa bờ hạn chế nước ngọt.
Tài liệu tham khảo
AL-MUTAZ, I. S. (1999). /Water Desalination in the Arabian Gulf Region. Water Management, Purificaton, and Conservation in Arid Climates, Volume II, CRC Press: 257-278.
Bonta, D. (2011). "Factors That Impact RO Filter Performance." Water Quality Products 16(3): 16-17.
Brehant, A., et al. (2002). "Comparison of MF/UF pretreatment with conventional filtration prior to RO membranes for surface seawater desalination." Desalination 144(1-3): 353-360.
Busch, M. and W. Mickols (2004). "Reducing energy consumption in seawater desalination." Desalination 165: 299-312.
BYT (2009). "QCVN 01: 2009/BYT-Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống." Hà Nội.
Committee, D. (2011). "Seawater Desalination Power Consumption, White Paper." WaterReuse Association: 11.
Cotruvo, J. A. (2004). "Desalination Guidelines Development for Drinking Water: Background." World Health.
Fryer, J. (2010). "An investigation of the marginal cost of seawater desalination in California." Sponsored by Residents for Responsible Desalination: 1-24.
Guirguis, M. J. (2011). "Energy recovery devices in seawater reverse osmosis desalination plants with emphasis on efficiency and economical analysis of isobaric versus centrifugal devices."
Hydranautics (2001). "Terms and equations of reverse osmosis." 2015, from http://www.membranes.com/docs/trc/termsequ.pdf (accessed 23 June 2015).
TS. VÕ ANH TUẤN
Trường Đại học Kiến trúc TP. Hồ Chí Minh
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu giải pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) bền vững cho Việt Nam thông qua tích hợp công nghệ vi sinh (phân hủy sinh học) và nhiệt phân. Trước áp lực gia tăng rác đô thị và yêu cầu phát triển kinh tế tuần hoàn, phương pháp này được đề xuất nhằm tận dụng tài nguyên từ rác, giảm chôn lấp và phát thải.
Nếu ở Kỳ 1, độc giả đã thấy những định hướng chiến lược và công nghệ xanh mở ra lối đi mới cho nông nghiệp Việt, thì đến Kỳ 2, điểm nhấn lại nằm ở những giải pháp cụ thể. Từ phòng thí nghiệm, nhiều nghiên cứu khoa học đã bước ra thực tiễn, đồng hành cùng doanh nghiệp, tạo nên các mô hình thành công: từ công nghệ bảo quản mới, chế biến cà phê hiện đại, đến kinh tế tuần hoàn phụ phẩm tôm và nâng tầm sản phẩm truyền thống như nước mắm. Đây chính là những hạt nhân giúp nông sản Việt gia tăng giá trị và chinh phục thị trường quốc tế.
Cao chloroform của Bí kỳ nam (Hydnophytum formicarum Jack.) được sắc ký cột với các hệ dung môi có độ phân cực khác nhau và kết hợp với kỹ thuật sắc ký lớp mỏng để thực hiện quá trình phân lập và tinh sạch các hợp chất. Cấu trúc của các hợp chất được xác định bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân và kết hợp so sánh với tài liệu tham khảo. Ba hợp chất được tinh sạch và xác định cấu trúc bao gồm luteolin (1), quercetin (2) và quercitrin (3).
Hoạt tính xua đuổi hiệu quả của p-menthan-3,8-diol (PMD) đã được chứng minh là hiệu quả an toàn cho sức khỏe, tuy nhiên, hợp chất này vẫn chưa được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Đã có một số công trình nghiên cứu khảo sát tổng hợp PMD chủ yếu sử dụng xúc tác acid H2SO4 loãng với các điều kiện phản ứng khác nhau về thời gian và nhiệt độ.
Cháy nổ trong sinh hoạt dân dụng vẫn là một vấn đề nhức nhối tại Việt Nam, gây ra những thiệt hại nặng nề về người và tài sản do sự bất cẩn hoặc lỗi thiết bị điện. Các hệ thống cảnh báo cháy truyền thống thường có độ trễ cao, chỉ phản ứng khi cháy đã xảy ra rõ ràng, dễ gây báo động giả và thiếu khả năng cảnh báo từ xa.
Khu vực đảo Palawan (Philippine), Sempoma SABAH (Malaysia) nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với hai mùa mưa, mùa khô rõ rệt. Tại Palawan, trung bình năm nhiệt độ không khí 28,50C, độ ẩm trung bình 58,4%, tổng lượng mưa 2.920 mm, tổng số giờ nắng trong khoảng 2,180 - 2,307h, nhiệt độ nước biển 29,30C và độ muối nước biển 33,3‰.
