Nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng màng lọc NF xử lý nước mặn và nước lợ để cấp nước sinh hoạt

Vấn đề cấp bách

Nước ngọt là một nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống con người. Việc cung cấp đầy đủ nước sạch đảm bảo yêu cầu về chất lượng và số lương luôn luôn là thách thức đối với các nước đang phát triển. Nguồn nước ngọt ở các sông vùng ven biển đang ngày càng giảm sút do nguyên nhân nhiễm mặn.Vùng ven biển thường là nơi nhạy cảm với tầng chứa nước trên cùng, dễ bị nhiễm bẩn, tiêu thoát nước nhanh. Nước dưới đất thường nhiễm mặn, hàm lượng clorua lớn, không đáp ứng tiêu chuẩn nước sinh hoạt. Trên một số đảo ngoài khơi vùng thềm lục địa và vùng đặc khu kinh tế của ta tình trạng thiếu nước ngọt càng trầm trọng hơn.

Biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng cao có thể làm tăng các vùng ngập lụt, làm cản trở hệ thống tiêu thoát nước, tăng thêm cường độ xói lở tại các vùng ven bờ và nhiễm mặn, gây khó khăn cho hoạt động nông nghiệp và cung cấp nước sinh hoạt... 70% dân cư sinh sống gần vùng ven bờ hiện đang đối mặt với các đe dọa không dự báo được của mực nước biển dâng cao và các thiên tai khác.

Theo ước tính sau năm 2010 nhu cầu dùng nước ngọt ở Việt Nam tăng lên đến 130 tỷ m³, gần tương đương với nguồn nước vào mùa khô trên các lưu vực sông của cả nước. Chiến lược quốc gia về cấp nước sạch và vệ sinh nông thôn theo quyết định của thủ tướng chính phủ 104QĐ/TTG ngày 25/08 năm 2000 đặt ra mục tiêu đến 2020 là “tất cả dân cư nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng ít nhất 60 lít/người/ngày”. Theo Chương trình mục tiêu quốc gia về Nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn giai đoạn 3 (2011-2015), 95% dân số nông thôn được sử dụng nước sinh hoạt hợp vệ sinh, trong đó 60% sử dụng nước sạch đạt quy chuẩn QCVN 02: 2009/BYT vào năm 2015. Đây là nhiệm vụ nặng nề và khó khăn đối với một nước đang phát triển như Việt Nam.

Như vậy, cần thiết phải tìm một nguồn tài nguyên nước ổn định để cấp nước sinh hoạt cho nhân dân vùng ven biển và hải đảo. Nguồn tài nguyên ổn định và phong phú nhất vẫn là nước biển. Tìm kiếm công nghệ và triển khai lắp đặt các công trình, thiết bị xử lý nước biển và nước lợ để cung cấp nước cho các cụm dân cư, đô thị,…ven biển và hải đảo là một nhiệm vụ cấp bách và cần thiết, đặc biệt là trong tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay.

Mặc dù đã có một số nghiên cứu ứng dụng lọc màng để xử lý nước biển thành nước sinh hoạt, nhưng các nghiên cứu này dừng ở mức thử nghiệm và quy mô nhỏ. Mặt khác các thiết bị ngọt hóa nước biển hiện nay triển khai ở Việt Nam dựa trên nguyên tắc chưng cất hoặc màng lọc thẩm thấu ngược (RO). Các phương pháp chưng cất khó triển khai vì thiết bị cồng kềnh và phụ thuộc điều kiện thời tiết; phương pháp RO tốn kém về năng lượng và tuổi thọ màng không cao. Mặt khác nước sản phẩm từ các quá trình xử lý này quá tinh khiết, không có được những khoáng chất cần thiết cho cơ thể sống.

Các phương pháp lọc màng sẽ giữ lại được các chất ô nhiễm trong nước tự nhiên. Màng lọc nano sẽ giữ lại được các phần tử kích thước 10^-5 đến 10^-7 mm, đó là một số chất hữu cơ tan, các ion natri, chì, sắt, niken, thủy ngân (II), các vi khuẩn gây bệnh,.. và cho các ion (I) đi qua. Xét về khía cạnh kinh tế (giá thành màng lọc và áp suất động học tạo trên thành màng), thứ tự sắp xếp các loại màng lọc như sau:

- Giá thành màng: RO > NF > UF > MF

- Áp suất động học: RO > NF > UF > MF

Các phương pháp siêu lọc (UF) và vi lọc (MF) không thể giữ lại được các phần tử ô nhiễm trong nước cũng như các thành phần muối của nước biển. Như vậy xử lý nước biển bằng phương pháp NF để được nước ăn uống theo quy định của Bộ Y tế theo Quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT, có chi phí đầu tư cũng như vận hành thấp hơn so với phương pháp RO.

Một ưu điểm của màng nano là có thể xả rửa chống hiện tượng tắc nghẽn nên có độ bền từ 3 đến 5 năm.Trong công nghệ ngọt hóa nước biển để cấp nước sinh hoạt, trước tiên màng NF đựợc nghiên cứu áp dụng để xử lý sơ bộ nước biển nhằm giảm độ mặn, và sau đó được xử lý bằng công nghệ RO. Công nghệ kết hợp màng NF và RO này đã bắt đầu được áp dụng trong thực tế tại một số nước tiên tiến. Ưu điểm của công nghệ kết hợp NF/RO như sau:

• Sử dụng NF để xử lý sơ bộ nước biển hạn chế việc tắc màng lọc RO
• Sử dụng NF để xử lý sơ bộ nước biển, hạn chế việc bám cặn trên màng lọc RO
• Sử dụng NF để xử lý sơ bộ nước biển giúp loại bỏ 40 – 70% hàm lượng TDS, giúp giảm đáng kể áp lực cần cung cấp cho hệ thống mang RO sau đó.

Thời gian hoạt động của màng lọc nano phụ thuộc rõ rệt vào thành phần tính chất nước nguồn, nhiệt độ và pH môi trường, áp suất vận hành,… Các khâu xử lý trước NF rất quan trọng đảm bảo cho chất lượng nước đầu ra cũng như tuổi thọ của màng. Vì vậy lựa chọn các công trình tiền xử lý trước NF đóng vai trò quan trọng trong việc triển khai ứng dụng nó để xử lý nước ăn uống.

Trong các quy trình công nghệ xử lý nước quá trình lọc được áp dụng rất phổ biến và là công đoạn quan trọng. Hiện nay trên thế giới, công nghệ lọc đang là một trong những hướng được tập trung nghiên cứu, triển khai ứng dụng và phát triển thành các loại sản phẩm thiết bị công nghiệp có quy mô cũng như khả năng áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ xử lý môi trường (nước cấp, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, xử lý chất thải, các yếu tố độc hại...). Trong xử lý nước, công nghệ lọc (lọc hạt và lọc màng) được phát triển theo các hướng chủ yếu là: chế tạo ứng dụng vật liệu và màng lọc, tối ưu hóa quá trình lọc và tự động hóa thiết bị công nghệ.

Để hệ thống xử lý nước có màng lọc nano hoạt động có hiệu quả, chuyển giao công nghệ cần được đi kèm với sự thích nghi và tiếp thu công nghệ, điều này phụ thuộc vào năng lực công nghệ, cơ sở hạ tầng và tiềm năng thị trường.

Hiện nay có năm phương pháp cơ bản để loại bỏ muối và các chất rắn hoà tan trong nước như: chưng cất, thẩm thấu ngược (reverse osmosis(RO), điện thẩm tích (electro – dialysis (ED), trao đổi ion (ion exchange (IX) và khử muối bằng phương pháp đông lạnh.

Tính đến cuối năm 2011, toàn thế giới có khoảng 15 nghìn nhà máy khử mặn, chủ yếu tập trung ở Trung Đông (khoảng 50%), ngoài ra có Mỹ (24%), Nhật Bản (10%), Tây Âu và một số nước châu Á. Trong đó, số nhà máy dùng công nghệ màng lọc nhiều gấp 4 lần số nhà máy dùng công nghệ chưng cất. Tuy vậy, nếu so sánh về tổng công suất thì hai công nghệ này tương đương nhau.

Phân bố nhà máy khử mặn trên thế giới theo công nghệ. (Nguồn: Val Frenkel, IDS-Water)

Kỹ thuật màng là một trong những quá trình khá mới được phát triển và ứng dụng trong công nghệ xử lý nước , nước thải trong gần 30 năm trở lại đây. Đó là phương pháp có nhiều ưu điểm về phương diện kỹ thuật, quy mô sản xuất và giá thành hoạt động. Phạm vi áp dụng của kỹ thuật màng khá rộng, bao quát gần như tất cả các khả năng loại bỏ tạp chất: chất huyền phù, chất keo, chất cơ nhũ, chất hữu cơ tan, các ion có kích thước nhỏ (Na⁺ chẳng hạn).

Cả hai công nghệ chưng cất và màng lọc đều dùng năng lượng để tạo hơi nước, nước nóng và vận hành các máy bơm. Các nhà nghiên cứu ở Úc (Wittholz, 2008) đã kết luận công nghệ màng RO sử dụng cho các nhà máy công suất lớn là rẻ nhất, dựa trên tham khảo so sánh về chi phí đẩu tư, vận hành và bảo dưỡng của hơn 300 nhà máy khử mặn trên thế giới. Xử lý nước lợ rẻ hơn xử lý nước mặn một chút do nước đầu vào có hàm lượng muối thấp hơn.

Màng lọc nano (nanofilter, hyperfilter) là loại màng có kích thước lỗ nhỏ (10^-7cm=10A^o). Phân tử lượng bị chặn từ 200-500. Loại màng này thích hợp cho quá trình làm mềm nước, loại bỏ một số chất hữu cơ tan, áp suất động lực thấp hơn so với màng thẩm thấu ngược. Đây là loại màng bất đối xứng, tổ hợp composite. Độ dày màng gồm lớp đỡ 150 μm, lớp da màng 1 μm. Đặc tính màng là: kích thước lỗ xốp <2nm; áp suất động lực từ 15 đến 25 bar, tốc độ lọc > 0,05m³.m^-2.ngày^-1.bar^-1. Cơ chế hoạt động của màng là hòa tan và khuếch tán. Vật liệu chế tạo màng là polome. Màng lọc nano được ứng dụng để xử lý nước lợ, làm mềm nước, loại bỏ chất hữu cơ, sản xuất nước siêu tinh khiết,…

Với màng NF lỗ rỗng màng bé nên để nước qua được màng thì cần áp suất lớn hơn rất nhiều so với lọc bằng màng MF và UF. Màng lọc NF tuy có nguyên tắc lọc giống như RO, nhưng vì kích thước màng lọc to hơn RO, nên thông thường chỉ giữ lại ion hóa trị hai, còn ion hóa trị một như Na⁺ hay Cl^- thì đi qua được màng lọc. Với đặc tính thế, NF vốn không có hiệu quá cao trong khử mặn với nước biển. Màng NF có kích thước lỗ biểu kiến lớn hơn kích thước ion Na⁺ và Cl^-.

Do chi phí điện năng cao nên người ta đã nghĩ đến giải pháp tốn ít năng lượng hơn, chẳng hạn như dùng màng NF do áp lực yêu cầu thấp hơn. Khả năng xử lý của màng RO và NF được trình bày ở bảng sau.

So sánh thông số thiết kế và làm việc của RO va NF

Những ưu điểm của màng NF là:

• Chí phí vận hành thấp;
• Chi phí năng lượng thấp;
• Lượng thải sau xử lý ít (so với RO);
• Giảm lượng tổng chất rắn hòa tan (TDS), đặc biệt hiệu quả trong nước lợ;
• Loại bỏ các chất bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, các hóa chất hữu cơ;
• Loại bỏ kim loại nặng, nitơrat và sulphate;
• Loại bỏ mầu, độ đục, làm mềm nước cứng;
• Không cần bất cứ hóa chất nào trong quá trình xử lý
• Có thể xả rửa chống tắc nghẽn nên có độ bền cao từ 3-5 năm

Thực ra, công nghệ màng NF đã được ứng dụng trong xử lý nước biển từ lâu, nhưng thường để xử lý sơ bộ trước khi đưa nước vào lọc tại màng RO. Ưu điểm của công nghệ kết hợp NF/RO như sau:

• Hạn chế việc bám cặn trên màng lọc RO, gây tắc màng
• Giảm đáng kể áp lực cần cung cấp cho hệ thống màng RO sau đó do TDS giảm 40-70%.

Từ những năm đầu 1990, Tiến sĩ Kamalesh Sirkar, Viện Công nghệ New Jersey (NJIT), Mỹ, đã nghiên cứu phương pháp mới khử mặn trong nước biển bằng cách cho chưng bay hơi nước biển từ nguồn nhiệt lượng thấp giá rẻ; sau đó hơi nước tinh khiết sau được dẫn qua ống lọc có màng NF để tạo thành nước ngọt. Quy trình trên đạt hiệu quả cao đối với nước biển có nồng độ muối trên 5,5% . Thiết bị chưng bay hơi có thể đặt trước thiết bị NF như theo sơ đồ trên hoặc đặt sau như trong nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Đông (Hassan, 1998; Misra, 1999).

Hệ thống lọc NF hai bậc hoặc đa bậc cũng bắt đầu được nghiên cứu trong thập kỷ gần đây (Gouellec, 2007).

AlTaee (2011) kết luận rằng, chi phí điện năng của hệ thống NF-NF thấp hơn khoảng 0,38 kwh/m3 so với hệ thống NF-RO, tuy nhiên thành phần TDS trong nước lọc của NF-NF là 1030 mg/l trong khi đó TDS trong nước lọc của NF-RO chỉ co 125 mg/L.

Màng NF có tiềm năng thay thế RO chi phí cao nếu đặt trong những điều kiện áp dụng nhất định. Theo Tiến sỹ Mark Wilf (2010), hệ thống màng NF có thể xử lý với hiệu quả tương đương hệ thống RO đối với nước lợ có hàm lượng muối thấp.

Để có thể ứng dụng NF vào quá trình xử lý nước biển thành nước ăn uống, Twardowski (U.S.Pat. No5,587,083) đã sử dụng màng NF tích điện âm tăng cường loại ion hoá trị 2 và Cl^-. Lin sử dụng tổ hợp NF(250-350 psi) – RO (áp suất tương đương) để loại Cl^- và Br, lọc được chủ yếu ion hoá trị 2; nước sau NF còn 10-15 g/L muối (U.S. Pat. No.5,458,781). Diem Xuan vuong, 2006, (U.S. Pat. No.7,144,511) dùng NF hai bậc: lọc NF1 (màng FSM135) ở 500-550 psi (hiệu suất khoảng 35%) và lọc NF2 (màng SSM 160) ở áp suất 200-300 psi (hiệu suất khoảng 79%) để xử lý nước biển; tổng hiệu suất của hai giai đoạn là 28%, sản phẩm có hàm lượng muối là 200-1.000 mg/L.

Để tối ưu hoá hiệu quả xử lý, người ta không chỉ dùng đơn thuần màng NF mà kết hợp dạng hybrid với công nghệ đơn giản hơn hoặc kết hợp nhiều khối NF với nhau (dạng sơ cấp-thứ cấp). Nhiều dự án, nghiên cứu đã được thực hiện ở Mỹ và Trung Đông.

Ứng dụng công nghệ khử mặn ở Việt Nam còn khá mới mẻ. Đa số mới ở hình thức các nghiên cứu khoa học. Việc chuyển giao công nghệ, ứng dụng vào thực tế cần nhiều thời gian hơn do chi phí đầu tư và vận hành trong xử lý nước còn khá cao so với các công nghệ truyền thống dùng nguồn nước thô là nước sông hồ.

Hiện nay, trào lưu sử dụng thiết bị màng lọc đã bắt đầu phổ biến hơn đặc biệt đối với công nghiệp hàng hải, du lịch và dầu khí ở Việt Nam. Các tàu đi biển đặc biệt ở phía Nam đã thay thế dần các bồn chứa nước ngọt bằng các thiết bị lọc hiệu quả này do hiệu suất sử dụng bồn thấp vì bồn chứa bị rò rỉ, gây thất thoát nước. Các khu nghỉ resort ven biển (Mũi Né, Vũng Tàu, Đà Nẵng,…) sẵn sàng đáp ứng nhu cầu về chất lượng sống ngày càng cao của người dân bằng cách sử dụng công nghệ lọc mới này để cấp nước cho sinh hoạt và hồ bơi.

Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ màng để khử mặn quy mô lớn, cung cấp nước sinh hoạt cho một đô thị, vẫn còn nhiều thách thức, cần nghiên cứu thêm về giải pháp công nghệ, cũng như tối ưu hoá về giá thành. Các nghiên cứu mới ở dạng thử nghiệm trên quy mô nhỏ, vấn đề xã hội hóa cấp nước cho dân cư trong vùng nước nhiễm mặn, thiếu nước ngọt vẫn là câu hỏi lớn cần được tiếp tục nghiên cứu.

PGS.TS Trần Đức Hạ

Trích lược Báo cáo tóm tắt đề tài NCKH độc lập cấp nhà nước: Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam.