Xử lý nước nhiễm mặn tại đồng bằng sông Cửu Long: So sánh và đề xuất công nghệ thích ứng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Xử lý nước nhiễm mặn tại đồng bằng sông Cửu Long: So sánh và đề xuất công nghệ thích ứng phân tích, đánh giá một số công nghệ khử mặn, từ đó đưa ra đề xuất về công nghệ có tiềm năng ứng dụng cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Xử lý nước nhiễm mặn tại đồng bằng sông Cửu Long: So sánh và đề xuất công nghệ thích ứng

XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM MẶN TẠI ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG: SO SÁNH VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ THÍCH ỨNG Nguyễn Văn Tuyến, Bùi Thị Thủy Ngân Trần Hùng Thuận, Chu Xuân Quang Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ (NACENTECH) Tóm tắt Trong những năm gần đây, xâm nhập mặn diễn biến ngày càng phức tạp tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), tác động rất lớn đến sản xuất, đời sống và sự phát triển kinh tế xã hội tại khu vực. Việc tìm kiếm các công nghệ để chuyển hóa nước nhiễm mặn thành nước ngọt với chi phí hợp l‎ý là một vấn đề vô cùng cấp bách. Bài báo này sẽ phân tích, đánh giá một số công nghệ khử mặn, từ đó đưa ra đề xuất về công nghệ có tiềm năng ứng dụng cho khu vực ĐBSCL. Trong số các công nghệ xem xét, công nghệ lọc màng lọc nano (Nanofiltration - NF) và công nghệ điện dung khử ion (Capacitive Deionization - CDI) có nhiều ưu điểm hơn so với công nghệ RO - công nghệ được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Công nghệ NF vận hành ở áp suất thấp (3 - 20 bar), năng lượng tiêu thụ và chi phí vận hành thấp, tỷ lệ thu hồi nước cao, loại bỏ chọn lọc ion đa hóa trị và làm mềm nước. Công nghệ CDI giữ lại các vi khoáng cần thiết, tỷ lệ thu hồi nước cao (75 - 90 %), tiết kiệm không gian và diện tích xử lý, phù hợp để có thể áp dụng hiệu quả trong điều kiện thực tiễn của ĐBSCL. Từ khóa: Xâm nhập mặn; Nước nhiễm mặn; Công nghệ khử mặn; Công nghệ NF; Công nghệ CDI. Abstract Proposed desalination technologies in Mekong delta Saline intrusion has been a big issue in the Vietnamese Mekong Delta in recent years, have a great impact on production, life and socio-economic development in the region. Finding technologies to convert saline water into fresh water at a reasonable cost is an urgent issue. This article has analyzed and evaluated a number of desalination technologies, thereby making recommendations on technologies with potential applications for the Mekong Delta. Among the technologies, nanofiltration (NF) and capacitive Deionization (CDI) technology have many advantages over RO technology - commonly used technology. NF technology operates at low pressure (3 - 20 bar), low energy consumption and operating costs, high water recovery rate, multivalent ion selective removal and water softening. CDI technology retains the necessary micro-minerals, has a high water recovery rate (75 - 90 %), saves space and treatment area, and is suitable for effective application in the practical conditions of the Mekong Delta. Keywords: Saline intrusion; Saline water; Desalination technology; NF technology; CDI technology. 1. Đặt vấn đề Biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng mạnh mẽ và phức tạp. Theo báo cáo của Tổ chức UNICEF, Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu, đặc biệt là khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Đây là nơi có địa hình thấp và bằng phẳng, phần lớn có độ cao trung bình từ 0,7 - 1,2 m so với mực nước biển, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi triều cường và xâm nhập mặn. Do đặc điểm khí hậu của ĐBSCL, lượng mưa trong mùa khô (từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau) rất ít nên trong thực tế, hầu như năm nào cũng xảy ra khô Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 13 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
hạn và có thể nói đây là một trong những đặc tính thường xuyên của khí hậu nơi đây. Trong những năm gần đây, việc tích trữ nước của nhiều thủy điện trên dòng sông Mê Kông đã dẫn đến sự xâm nhập mặn sâu và chất lượng nguồn nước bị suy giảm đáng kể, vấn đề khan hiếm nước sinh hoạt nông thôn xảy ra ở hầu hết các địa phương thuộc vùng ĐBSCL, tác động rất lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội và đời sống sinh hoạt của người dân tại khu vực này. Việc tìm kiếm các công nghệ để chuyển hóa nước nhiễm mặn thành nước ngọt với chi phí hợp l‎ý là một giải pháp lâu bền giúp cho người dân có thể sống chung với hạn hán và xâm nhập mặn. Theo Hiệp hội khử mặn Quốc tế, trên thế giới hiện có hơn 18.000 nhà máy khử mặn nước biển và nước nhiễm mặn đang hoạt động, cung cấp khoảng 86,8 triệu m3 nước ngọt mỗi ngày để đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt của hơn 300 triệu người [1] . Hiện nay, các nhà máy khử mặn quy mô lớn trên thế giới chủ yếu sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược (RO), được hình thành trên cơ sở áp dụng những thành tựu trong lĩnh vực vật liệu màng lọc những thập kỷ gần đây. Theo dự báo, đến năm 2030, công suất khử mặn cần được tăng gấp đôi để đáp ứng nhu cầu nước sạch tăng cao ở quy mô toàn cầu. Ở Việt Nam, công nghệ khử mặn vẫn chưa được quan tâm thích đáng. Các công nghệ khử mặn thường chỉ được áp dụng trong các sản phẩm thương mại với quy mô nhỏ. Công nghệ chưng cất nhiệt đã được áp dụng với hiệu suất không cao [2]. Công nghệ điện thẩm tách ED cũng được quan tâm ở Việt Nam cách đây hơn 10 năm, tuy nhiên, trong quá trình vận hành phát sinh các vướng mắc khác về mặt công nghệ nên loại công nghệ này không được tiếp tục phát triển ở Việt Nam [3]. Trong đề tài nghiên cứu của Trần Đức Hạ năm 2010, công nghệ NF đã được đề xuất để khử mặn cho vùng nông thôn ven biển. Đây là loại công nghệ hiệu quả trong việc khử mặn, tuy nhiên, việc sử dụng loại công nghệ này vẫn mới chỉ được thử nghiệm với quy mô trong phòng thí nghiệm với nguồn nước cấp là nước mặn nhân tạo pha từ nước sạch và muối ăn. Năm 2020, trong nghiên cứu của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam kết hợp với Học viện Kỹ thuật Quân sự và Trường Đại học Lâm nghiệp do nhóm nghiên cứu của Trịnh Văn Giáp và các cộng sự thực hiện [4], công nghệ lọc nano hai bậc sử dụng năng lượng tái tạo đã được ứng dụng trong xử lý nước nhiễm mặn. Trong nghiên cứu này, một hệ thống NF hai bậc thông minh sử dụng năng lượng mặt trời xử lý nước nhiễm mặn được nghiên cứu, lắp đặt và khảo sát để đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của công nghệ NF. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng xử lý nước nhiễm mặn (độ mặn khảo sát lên đến 7000 mg/L) thành nước sinh hoạt với các chỉ tiêu đáp ứng Quy chuẩn của Bộ Y tế. Gần đây, công nghệ CDI được đánh giá có tiềm năng cao trong xử lý nước nhiễm mặn khi vấn đề sản xuất điện cực siêu hấp thụ với giá thành thấp được giải quyết. Thiết bị lọc nước CDI đã được thiết kế và lắp đặt thành công với một hệ thống điều khiển giúp chuyển hóa nước lợ thành nước ngọt đạt Tiêu chuẩn của Bộ Y tế [5]. Với loại công nghệ RO, các sản phẩm thương mại tại Việt Nam hiện nay thường hay sử dụng với quy mô hộ gia đình và nó cũng chính là loại công nghệ được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trên thế giới. Có lẽ vì tính phổ biến của nó nên các nhà nghiên cứu về xử lý nước của Việt Nam đề xuất loại công nghệ này mà vẫn chưa có các nghiên cứu đánh giá kinh tế kỹ thuật cụ thể để chứng minh loại công nghệ này phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh nông thôn của Việt Nam. Từ những phân tích nhận định trên, nghiên cứu này sẽ giới thiệu tổng quan các loại công nghệ khử mặn nổi bật đang được sử dụng trong các nhà máy khử mặn trên thế giới hoặc đang được áp dụng tại Việt Nam. Hiện nay, có nhiều loại công nghệ khử mặn đang được phát triển và được cho là phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh khu vực ĐBSCL. Cụ thể, nghiên cứu này sẽ phân tích so sánh ba loại công nghệ là công nghệ thẩm thấu ngược (RO), công nghệ dùng màng nano (NF) và công nghệ điện dung khử ion (CDI). Tiếp sau đó, nghiên cứu sẽ thảo luận về 14 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
những đặc điểm, điều kiện và hoàn cảnh của cụm dân cư nông thôn ĐBSCL, để đề xuất ra các tiêu chuẩn thiết kế mà một hệ thống khử mặn phải đảm bảo. Các tiêu chuẩn đó sẽ được sử dụng để đánh giá loại công nghệ nào là phù hợp nhất với cấp nước sinh hoạt cho cụm dân cư nông thôn ĐBSCL. 2. Công nghệ xử lý nước nhiễm mặn Các công nghệ khử mặn được phân ra làm hai loại: công nghệ nhiệt và công nghệ màng. Trong khi các công nghệ nhiệt là công nghệ chưng cất nhanh đa bậc MSF (Multi Stage Flash) và chưng cất đa phân đoạn MED (Multi Effect Distillation) thích hợp để khử muối của nước biển thì công nghệ màng lại tỏ ra thích hợp để xử lý nước lợ có độ mặn thấp hơn [6]. Điều này là do các công nghệ màng sử dụng màng lọc thường hoạt động hiệu quả hơn khi độ mặn của nước cấp vào thấp. Trên thế giới, công nghệ RO là công nghệ được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất để xử lý nước nhiễm mặn. Tuy nhiên, công nghệ RO tiêu thụ năng lượng cao hơn, hiệu quả năng lượng của RO giảm đối với những vùng nước có độ mặn thấp hay các nhà máy có công suất nhỏ. Việc tiêu thụ năng lượng cao sẽ dẫn tới việc tăng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, kết quả là thúc đẩy quá trình biến đổi khí hậu nhanh hơn và nghiêm trọng hơn. Vì vậy, việc giảm tiêu thụ năng lượng là một vấn đề sống còn đối với việc giảm giá thành khử mặn và giảm tác động tiêu cực đến môi trường do sử dụng ít các nguồn nhiên liệu hóa thạch trong quá trình cung cấp năng lượng cho quá trình khử mặn. 2.1. Công nghệ thẩm thấu ngược RO Thẩm thấu là một hiện tượng tự nhiên, nước sẽ dịch chuyển qua màng từ nơi có nồng độ muối/khoáng thấp đến nơi có nồng độ cao hơn (Hình 1). Quá trình dịch chuyển xảy ra cho đến khi nồng độ muối khoáng giữa hai nơi này cân bằng và áp suất thẩm thấu sẽ được xác định sau đó. Công nghệ thẩm thấu ngược dựa trên một nguyên lý ngược lại với cơ chế thẩm thấu thông thường. Một áp lực lớn hơn áp suất thẩm thấu sẽ được tạo ra để đẩy ngược nước từ nơi có hàm lượng muối cao thấm qua màng bán thấm để đến nơi không có hoặc có ít muối hơn. Hình 1: Nguyên lý thẩm thấu ngược 2.2. Công nghệ điện thẩm tách ED Khác với quá trình khử mặn sử dụng công nghệ RO, công nghệ ED sử dụng các màng trao đổi ion để thực hiện quá trình khử mặn nước. Dưới tác dụng của điện trường được tạo ra khi có một hiệu điện thế áp dụng giữa hai điện cực, các ion mang điện tích trong dòng nước mặn sẽ dịch chuyển đến điện cực trái dấu. Do tính chọn lọc của các màng trao đổi ion, các muối tan trong dòng nước mặn sẽ dịch chuyển về khoang chứa nước thải mặn và cuối quá trình ED sẽ thu được dòng nước ngọt tách ra khỏi dòng nước thải mặn. Năng lượng tiêu thụ chính của quá trình ED là điện năng và nó phụ thuộc rất nhiều vào độ mặn của nguồn nước. Với nước có độ mặn cao, sẽ có một Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 15 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
sự chênh lệch áp suất thẩm thấu rất lớn giữa các dòng nước thải mặn và dòng nước ngọt giữa hai bề mặt của các màng trao đổi ion. Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu này cản trở sự dịch chuyển của các ion muối, do đó làm giảm hiệu suất đồng thời làm tăng năng lượng tiêu thụ của quá trình ED. Hình 2: Nguyên tắc của quá trình điện thẩm tách 2.3. Công nghệ lọc màng nano Công nghệ NF bắt đầu phát triển từ cuối những năm 1980, rất lâu sau sự phát triển của công nghệ RO. NF có thể được coi như công nghệ trung gian giữa công nghệ siêu vi lọc UF và công nghệ RO. Màng lọc NF về cơ bản giống như màng RO nhưng kích thước lỗ màng lớn hơn (khoảng 1 - 10 nm). Nguyên lý lọc màng dựa trên sự phân tách các phần tử trong nước qua lớp vách ngăn (màng) nhờ lực tác dụng. Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp suất, điện thế, nồng độ dung dịch, nhiệt độ,… Các thông số cơ bản của quá trình lọc màng: áp lực; cơ chế phân tách; cấu trúc màng và pha dung dịch. Hình 3: Công nghệ màng lọc nano NF Công nghệ NF đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm: Xử lý nước mặt, nước ngầm và nước thải; Khử mặn nước biển; Tinh chế các nguyên liệu trong sản xuất thuốc; Cô đặc dung dịch trong công nghệ thực phẩm; Tách các dung môi hữu cơ. Trong ứng dụng khử mặn nước biển, NF có thể được sử dụng như một quá trình độc lập hoặc tiền xử lý cho các quá trình khử mặn nước biển khác (RO, MSF, MED). Ứng dụng NF như một quá trình khử mặn độc lập đang là một hướng đi mới được quan tâm. 2.4. Công nghệ điện dung khử ion Công nghệ CDI bao gồm: một số điện cực được xếp chồng lên nhau trong một thiết bị. Nước được đưa qua các điện cực này ở áp suất rất thấp, khi chảy qua các điện cực thì sự chênh lệch điện áp được hình thành (tạo thành như một tụ điện) và các ion trong nước được phân tách. Việc cung cấp một dòng điện trực tiếp sẽ tạo ra một trường tĩnh điện thu hút các ion hòa tan trong nước đến các điện cực. Quá trình có thể xảy ra ở điện áp thấp do vậy hiện tượng điện phân và sinh khí sẽ không xảy ra. Kết quả là các ion kim loại nặng, một phần chất khoáng sẽ được tách ra khỏi nguồn nước nhiễm mặn. 16 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
Hình 4: Môi trường tĩnh điện hút các ion Hình 5: Quá trình giải hấp các điện cực - hòa tan đảo ngược cực tính Các điện cực hoạt động giống như các tụ điện bình thường. Do vậy, tại một thời điểm bão hòa nhất định, các điện cực sẽ bị các Ion bao phủ toàn bộ bề mặt và quá trình giải hấp sẽ được thực hiện bằng cách đảo ngược cực tính của các điện cực. 3. Phân tích đề xuất công nghệ khử mặn quy mô cụm dân cư 3.1. Các tiêu chuẩn cho một hệ thống khử mặn quy mô cụm dân cư Một hệ thống khử mặn quy mô cụm dân cư phải đáp ứng các tiêu chuẩn về nước sạch cho người dân: - Đảm bảo cung cấp nước sạch với số lượng và chất lượng theo quy định. Đối với khu vực nông thôn, một hệ thống phục vụ khoảng 50 - 100 hộ gia đình, mỗi hộ trung bình 4 người, và nhu cầu sử dụng nước 60 lít/người/ngày, thì hệ thống thiết kế đảm bảo cung cấp 12 - 24 m3/ngày [7]. Đối với chất lượng nước, công nghệ đề xuất xử lý nước nhiễm mặn với mục đích cấp nước sinh hoạt nên sẽ tuân thủ theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT dùng cho nước sinh hoạt thông thường, không sử dụng trực tiếp để ăn uống. Tuy nhiên, trong Quy chuẩn này chỉ số Tổng chất rắn hòa tan (TDS) không được quy định. Đây là một chỉ số quan trọng, có thể liên quan tới sức khỏe của người sử dụng. Vì vậy, chỉ số này đã được quy định trong Quy chuẩn nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT với giá trị giới hạn là 1000 mg/L. Vì vậy, Quy chuẩn này nên được sử dụng kết hợp với QCVN 02:2009/BYT để sử dụng cho việc kiểm soát chất lượng nước sau xử lý. - Một vấn đề quan trọng khi xây dựng một hệ thống khử mặn đó chính là chi phí đầu tư, vận hành hệ thống. Yêu cầu đặt ra là công nghệ đề xuất để khử mặn nước cho vùng nông thôn ĐBSCL phải có tổng chi phí thấp hơn loại công nghệ đang sử dụng phổ biến nhất hiện nay (công nghệ RO). Trong đó năng lượng tiêu thụ là yếu tố làm cho giá thành tăng cao. Để giảm chi phí, một trong những giải pháp đó là tận dụng nguồn năng lượng tái tạo sẵn có tại khu vực này. Công nghệ khử mặn nên được thiết kế để sử dụng nguồn năng lượng này. Sử dụng năng lượng sạch đồng nghĩa với việc giảm thiểu biến đổi khí hậu, vì vậy sẽ góp phần làm giảm xâm nhập mặn tại vùng ĐBSCL. - Việc tồn tại của một loại công nghệ được sử dụng với quy mô nhỏ, tại vùng nông thôn, phụ thuộc rất lớn vào việc bảo trì và vận hành. Các công nhân vận hành tại địa phương thường chỉ được đào tạo những kỹ năng cơ bản, do vậy, một yêu cầu quan trọng đối với loại công nghệ sử dụng tại vùng nông thôn là không đòi hỏi nhiều kỹ năng bảo trì và vận hành. Trên cơ sở phân tích các tiêu chuẩn trên, trong những năm gần đây, công nghệ NF và CDI hiện đang được xem như những công nghệ tiềm năng, phù hợp để xử lý hiệu quả nước nhiễm mặn Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 17 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
thay thế công nghệ RO. Hai công nghệ này đều được chứng minh qua các nghiên cứu là tỏ ra phù hợp khi khử mặn nước lợ. Đánh giá này được đưa ra dựa trên sự phân tích các kết quả nghiên cứu của các dự án đã được triển khai trên thế giới, kết hợp với các tiêu chuẩn được thiết lập ở trên và thực tế điều kiện tại ĐBSCL với giá thành xử lý nước phù hợp nhất. 3.2. Tiềm năng trong việc sử dụng công nghệ NF để xử lý nước nhiễm mặn thành nước sinh hoạt * So sánh về hiệu quả kinh tế Tổng chí phí đầu tư và vận hành là yếu tố đầu tiên và quan trọng nhất để xác định hiệu quả kinh tế của một loại công nghệ. Công nghệ NF được xem là có hiệu quả kinh tế so với công nghệ RO và ED do tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành thấp hơn [1]. Với kích thước lỗ màng khoảng 1 - 10 nm, NF thích hợp cho quá trình làm mềm nước, loại bỏ một số chất hữu cơ tan, chì, sắt, niken, thủy ngân (II), các vi khuẩn gây bệnh,… NF có thể lọc hiệu quả toàn bộ cặn bẩn hữu cơ với khối lượng phân tử có kích thước từ 0,5 - 2 nm, các virus, vi khuẩn, phần lớn muối tan đa hóa trị (95 %) và một phần các muối tan đơn hóa trị (thông thường 40 - 60 %, có thể loại bỏ lên tới 80 %) ra khỏi nước [6, 8, 9]. Do kích thước lỗ màng lớn hơn, nên áp suất vận hành của quá trình NF thấp hơn RO khi áp dụng để xử lý cùng một loại nước. Áp suất hoạt động của màng NF nằm trong khoảng 3 - 20 bar thấp hơn so với công nghệ RO (5 - 120 bar) [12] dẫn tới năng lượng tiêu thụ của quá trình NF giảm đi rất nhiều so với RO. Bên cạnh đó, hiện tượng tắc nghẽn màng lọc trong quá trình xử lý nước lợ sử dụng công nghệ NF cũng thấp hơn khi sử dụng công nghệ RO. Vì hoạt động ở áp suất thấp hơn nên các yêu cầu đối với vật liệu của vỏ môđun màng NF cũng thấp hơn, có thể sử dụng các vật liệu rẻ hơn so với việc sử dụng màng RO. Nhờ vậy tiết kiệm được chi phí đầu tư. Do những ưu điểm về kích thước lỗ màng nên thông lượng thấm của màng NF cao, tỷ lệ thu hồi nước lớn hơn. Tỷ lệ thu hồi nước cao sẽ làm giảm chi phí xử lý nước thải, và tỷ lệ nước thu hồi cao cũng đồng nghĩa với việc tăng hiệu quả sử dụng nguồn nước. * So sánh về chất lượng nước sau khử mặn Trong khi công nghệ RO với kích thước lỗ nhỏ (nhỏ hơn 0,001 µm), loại bỏ gần như hoàn toàn các thành phần có trong nước như: Cacbohydrat; cặn lơ lửng; các chất khoáng; các ion đa và đơn hóa trị,... NF có khả năng loại bỏ có chọn lọc các ion đa hóa trị, cho phép loại bỏ có chọn lọc các ion kết tủa và làm mềm nước. Với đặc điểm này làm cho NF trở thành một lựa chọn để khử mặn nước lợ với độ mặn từ thấp đến trung bình gây ra bởi các ion đa hóa trị. Do thẩm thấu ngược không thể được sử dụng cho việc chọn lọc khử khoáng và như vậy NF phù hợp hơn để sản xuất nước uống trực tiếp mà không cần quy trình tái bổ sung khoáng. Với khả năng có thể khử khoáng một phần dung dịch mặn hoặc có chọn lọc, NF trở thành kỹ thuật lọc phù hợp thú vị ở nhiều khía cạnh. Có thể nói rằng, NF là công nghệ kinh tế để khử mặn nước lợ do nó tiêu thụ năng lượng thấp và với chi phí vận hành thấp hơn so với RO. * So sánh về bảo trì và vận hành Công nghệ RO cần một áp lực cao cho quá trình hoạt động. Do đó, chi phí vận hành và bảo trì đối với công nghệ này là rất cao, bởi cần phải có: - Vật liệu chế tạo vỏ môđun màng phải chịu được áp suất cao; - Cần có các hệ thống bơm tạo được áp suất cao; 18 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
- Chi phí điện năng tiêu thụ cao, không thể sử dụng nguồn điện năng lượng tái tạo. - Đòi hỏi phải có hệ thống và người vận hành ở trình độ cao để kéo dài tuổi thọ của màng lọc. Trong khi đó, công nghệ NF các yêu cầu về quá trình vận hành và bảo trì đơn giản hơn so với công nghệ RO. Như vậy, công nghệ NF là một công nghệ tiềm năng trong xử lý nước nhiễm mặn tại khu vực ĐBSCL. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, sử dụng màng lọc NF một bậc có thể xử lý nước nhiễm mặn có nồng độ muối nhỏ hơn 7 ‰ để thành nước sinh hoạt và nước ăn uống theo QCVN 01:2009/ BYT, khi nồng độ muối trong nước lên tới 22 ‰ thì công nghệ NF hai bậc sẽ được sử dụng thông qua việc ghép nối đơn giản các môđun màng [9, 10, 11]. Trước đây, nguồn nước nhiễm mặn tại khu vực ĐBSCL dao động trong khoảng 1 - 5 ‰ (1000 - 5000 mg/L). Tuy nhiên, trong những năm gần đây, diễn ra hiện tượng xâm nhập mặn sâu, nguồn nước bị nhiễm mặn có nồng độ muối cao hơn rất nhiều. Vì vậy, để có thể xử lý nguồn nước nhiễm mặn thì việc sử dụng công nghệ màng lọc Nano đa bậc là cần thiết. 3.3. Tiềm năng trong việc sử dụng công nghệ CDI xử lý nước nhiễm mặn thành nước sinh hoạt Trong những năm gần đây, công nghệ CDI là một công nghệ được tập trung nghiên cứu và ứng dụng trong xử lý nước nhiễm mặn. So với các công nghệ khác, CDI được tính toán là tiết kiệm năng lượng hơn. Bảng 1 so sánh năng lượng yêu cầu tính bằng kWh/m3 để khử mặn với các công nghệ khác nhau. Bảng này cho thấy rõ ràng rằng CDI có nhu cầu năng lượng ít nhất so với các công nghệ khử mặn hiện có. Bảng 1. Nhu cầu năng lượng của các công nghệ [14] Phương pháp khử mặn Nhu cầu năng lượng kWh/m3 MSF 10 - 58 MED 6 - 58 RO 2-6 ED 0,4 - 8,7 CDI 0,1 - 2,03 Công nghệ CDI không cần sử dụng thêm các bộ lọc đặc biệt và các phụ gia hóa học trong quá trình vận hành [15]. Công nghệ này có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ môi trường cao, trong khi, hiệu suất của quá trình lọc RO suy giảm nhanh chóng khi nhiệt độ môi trường cao hơn. Ngoài ra với việc sử dụng điện áp thấp, công nghệ này hoàn toàn có thể được tối ưu để phù hợp với các nguồn năng lượng tái tạo có công suất nhỏ. Công nghệ này khắc phục được các nhược điểm của công nghệ lọc RO như: - Giữ lại khoáng chất vi lượng khoáng tự nhiên tốt cho cơ thể như: canxi; magie;… - Không phải thay màng lọc sau thời gian sử dụng; tiêu thụ năng lượng thấp. Thiết bị cấu tạo nhỏ gọn, hạn chế xả thải nguồn nước ô nhiễm. - Công nghệ CDI có khả năng thu hồi nước cao khoảng 75 - 90 %, trong khi đó, công nghệ RO chỉ thu hồi thu hồi nước 25 - 75 % (thông thường khoảng 50 % trở xuống). Quy trình CDI nói chung có mức tiêu thụ năng lượng tương đối thấp, dao động từ 0,6 - 1,2 kWh.m−3 để loại bỏ tổng chất rắn hòa tan (TDS) ra khỏi nước lợ. Như vậy, công nghệ CDI có chi phí vận hành thấp hơn 03 lần so với RO. Theo tính toán của một số nghiên cứu, vốn đầu tư của CDI Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 19 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
có thể tương đương với RO, với công suất xử lý như nhau. Tuy nhiên, chi phí vận hành và chi phí bảo trì của CDI thấp hơn nhiều so với RO do các phân tích so sánh ở trên. Ngoài ra, công nghệ CDI cũng tiết kiệm được không gian và diện tích hệ thống xử lý. Ví dụ, một đơn vị thiết kế của CDI đối với nước lợ sản xuất khoảng 168 m3/ngày cần một không gian khoảng 3,96 m3 [14]. Như vậy, năng lực sản xuất cụ thể trên 1 m3 không gian là khoảng 42,2 m3/ ngày. Trong khi, một hệ thống RO khử mặn nước lợ với công suất 758 m3/ngày thì cần có kích thước lắp đặt khoảng 33 m3 khi vận hành thương mại hệ thống RO. Ngoài ra, CDI cũng có thể được đánh giá là một công nghệ xanh với tác động tối thiểu đến môi trường. Bảng 2. So sánh chi tiết giữa công nghệ CDI và công nghệ RO [14] Công nghệ khử muối CDI RO Tiền xử lý Thấp Cao Hệ thống hoạt động với nhiệt độ cao (trên 45ºC) Đúng Không đúng Đóng cặn và bám bẩn Thấp Cao Khả năng chịu clo Đúng Không đúng Hóa chất Không Có Vật liệu tiêu hao Thấp Cao Bảo trì Thấp Cao Sử dụng năng lượng Thấp Cao Áp suất làm việc Thấp Cao Tỷ lệ thu hồi nước 75 - 90 % 25 - 75 % Chi phí vận hành RO cao gấp 3 lần CDI RO cao gấp 3 lần CDI Giá bán Tương đương Tương đương Như vậy, có thể thấy hai công nghệ NF và CDI là hai công nghệ khử mặn có tiềm năng ứng dụng một cách hiệu quả và phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh của khu vực ĐBSCL. Trong những năm gần đây, việc sử dụng năng lượng tái tạo trong các hệ thống xử lý nước nhiễm mặn đang được quan tâm, đặc biệt ở quy mô cụm dân cư. Vấn đề hiện nay là cần có thêm những nghiên cứu để có các giải pháp phù hợp trong việc tích hợp nguồn điện tái tạo với hệ thống lưới điện một cách hiệu quả để giảm chi phí năng lượng và giải bài toán đưa chi phí sản xuất nước cấp từ nguồn nước nhiễm mặn xuống mức phù hợp với mặt bằng kinh tế của đại bộ phận người dân tại vùng nông thôn của ĐBSCL. Hiện nay đã có một số nghiên cứu với các kết quả tiềm năng trong việc kết hợp công nghệ NF và công nghệ CDI được vận hành bằng nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới trong xử lý nước nhiễm mặn. 4. Kết luận Nghiên cứu thực hiện phân tích các công nghệ hiện đã được nghiên cứu thử nghiệm, đang vận hành tại Việt Nam và trên thế giới, nhằm luận giải và đề xuất được công nghệ khử mặn phù hợp nhất với các cụm dân cư nông thôn vùng ĐBSCL, nơi mà ngày càng khan hiếm nguồn nước sạch do hiện tượng xâm nhập mặn và có hạ tầng điện lưới còn chưa đáp ứng. Dựa trên các tiêu chuẩn được thiết lập từ điều kiện và hoàn cảnh thực tiễn tại vùng nông thôn ĐBSCL, so sánh với công nghệ RO - công nghệ được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, nhận thấy công nghệ NF và công nghệ CDI tỏ ra phù hợp hơn. Công nghệ NF vận hành tại áp suất thấp hơn nên năng lượng tiêu thụ và vận hành hệ thống thấp hơn, tỷ lệ thu hồi nước cao, có khả năng loại bỏ chọn lọc các ion đa hóa trị và làm mềm nước. Công nghệ CDI chi phí vận hành thấp, tỷ lệ thu hồi nước cao (75 - 90 %), nước sau xử lý giữ lại các khoáng chất vi lượng khoáng tự nhiên tốt cho cơ thể, như: canxi, magie; tiết kiệm không gian và diện tích xử lý. Vì vậy, chúng tôi đề xuất là hai công nghệ phù hợp hiện 20 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
nay để khử mặn và cung cấp nước uống, sinh hoạt cho các cụm dân cư nông thôn vùng ĐBSCL. Trong đó, việc sử dụng kết hợp công nghệ NF và CDI có vận hành bằng nguồn năng lượng mặt trời được khuyến nghị sẽ là định hướng cho các nghiên cứu thử nghiệm tiếp theo để xử lý nước nhiễm mặn và cung cấp nước cho vùng ĐBSCL. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp Viện Ứng dụng Công nghệ năm 2021“Khảo sát lựa chọn công nghệ xử lý nước nhiễm mặn tại Đồng bằng sông Cửu Long”. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Baawain, M., Choudri, B. S., Ahmed, M., & Purnama, A., (2015). Recent progress in desalination, environmental and marine outfall systems. Basel, Switzerland: Springer International Publishing. [2]. Ngô Thị Trà My, Nguyễn Công Nguyên, Nguyễn Thị Hậu, Bùi Xuân Thành (2018). Phát triển công nghệ chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp dạng nhúng chìm để xử lý nước nhiễm mặn. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Tập 54, Số 7A (2018): 66 - 71. [3]. Nguyễn Hoài Châu, Cao Văn Chung, Lê Xuân Thịnh (2005). Một số kết quả nghiên cứu xử lý nước nhiễm mặn bằng thiết bị điện thẩm tách tự chế tạo. Tạp chí Khoa học và Công nghệ. 43(2): 114 - 120. [4]. Trịnh Văn Giáp, Phan Quan Thăng, Trần Thị Thu Lan, Dương Công Hùng, Nguyễn Như Ngọc (2020). Ứng dụng công nghệ lọc nano hai bậc sử dụng năng lượng tái tạo trong xử lý nước nhiễm mặn. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Lâm nghiệp 5, 3. [5]. Nguyễn Thị Thơm, Huỳnh Lê Thanh Nguyên, Phạm Thị Năm, Phạm Gia Vũ, Nguyễn Thị Thu Trang, Trần Thanh Nhựt, Võ Thị Kiều Anh, Thái Hoàng, Nguyễn Thái Hoàng, Lê Viết Hải, Trần Đại Lâm (2020). Xử lý nước lợ tại vùng xâm nhập mặn bằng công nghệ khử điện dung. Tạp chí Khoa học công nghệ Việt Nam, 12. [6]. Soraya Honarparvar, Xin Zhang, Tianyu Chen, Ashkan Alborzi, Khurshida Afroz and Danny Reible (2021). Frontiers of Membrane Desalination Processes for Brackish Water Treatment: A Review, Membranes 11(4), 246. [7]. Phạm Văn Hoàn, Trần Thị Thanh Khương (2016). Công nghệ khử mặn hiệu quả cấp nước sinh hoạt cho các cụm dân cư nông thôn đồng bằng sông Cửu Long. Tạp chı́ Khoa học Trường Đại học Cần Thơ. Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 45: 33 - 42. [8]. Hanane Dach (2008). Comparison of nanofiltration and reverse osmosis processes for a selective desalination of brackish water feeds. Appendix, 4. [9]. Ghazaleh Vaseghi, Abbas Ghassemi & Jim Loya (2016). Characterization of reverse osmosis and nanofiltration membranes: effects of operating conditions and specific ion rejection. Desalination and Water Treatment, 1 - 12. [10]. Mohamed E.A. Ali. (2021). Nanoﬁltration Process for Enhanced Treatment of RO Brine Discharge. Membranes, 11, 212. [11]. Courfia K. Diawwara (2008). Nanofitration Process Efficiency in Water Desalination Separation &Purification Reviews. 37, 302 - 324. [12]. J. Palmeri ea al (2009). Process modeling of brackfish and seawwater nanofitration. Desalination and water Treatment, 9, 263 - 271. [13]. Trần Đức Hạ, Nguyễn Quốc Hòa, Phạm Duy Đông, Nguyễn Tiến Toàn (2013). Hệ thống xử lý nước mặn và nước lợ ứng dụng màng lọc nano (NF) để cấp nước ăn uống vùng ven biển. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, Số 17, 9 - 2013. [14]. Moustafa El Shafei1 and Ashraf Seleym (2017). Potential of Solar-driven CDI Technology for Water Desalination in Egypt. Journal of Renewable Energy and Sustainable Development (RESD), Volume 3, Issue 3, December 2017, 251 - 257. [15]. Bartholomew, Jay F. Whitacre, and Meagan S. Mauter (2020). Cost Comparison of Capacitive Deionization and Reverse Osmosis for Brackish Water Desalination Xitong Liu, Sneha Shanbhag, Timothy V. ACS ES&T Engineering, 9 - 2020. Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021. Người phản biện: TS. Lê Ngọc Thuấn Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 21 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững