Công nghệ xử lý nước lợ

Chương 3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC LỢ Trên thế giới, các nhà khoa học đã nghiên cứu thành công các phương pháp khử muối trong nước biển và khử mặn trong nước lợ để tìm giải pháp cho tình trạng thiếu nước ngọt hiện nay. Một số phương pháp khử mặn được nhắc đến là: trao đổi ion, điện phân, chưng cất và thẩm thấu ngược. Trong đó, trao đổi ion và thẩm thấu ngược là hai phương pháp được biết đến nhiều trong xử lý nước lợ. 3.1 CÔNG NGHỆ LỌC NƯỚC TRAO ĐỔI ION Trao đổi ion là một phương pháp làm mềm, khử khoáng vẫn đang được sử dụng rộng rãi. Nguyên lý hoạt dộng của các loại vật liệu hầu như giống nhau. Sự khác biệt chỉ thể hiện rõ ở cấu tạo và quy trình công nghệ sản xuất vật liệu trao đổi ion. Nguyên lý: Khử muối bằng phương pháp trao đổi ion là lọc nước qua bể lọc H-cationit và OH-anionit. Khi lọc qua bể lọc H-cationit do kết quả trao đổi các cation của muối hòa tan trong nước với các ion H+ của hạt cationit, các muối hòa tan trong nước biến thành các axit tương ứng: RH + NaCl → RNa + HCl 2RH + Na2SO4 → 2RNa + H2SO4 Hình 3.1 Trao đổi ion 2RH + Ca(HCO3)2 → R2Ca + 2CO2↑ + 2H2O Và khi lọc tiếp nước đã khử cation ở bể H-cationit qua bể lọc anionit (OH-anionit), các hạt anionit sẽ hấp thụ từ nước các anion của các axit mạnh như Cl-, SO42- (khí cacbonic được khử ra khỏi nước bằng làm thoáng trước khi cho vào bể OH-anionit) và nhả vào nước một số lượng tương đương anion OH-. [An]OH + HCl → [An]Cl + 2H2O 2[An]OH + H2SO4 → [An]2SO4 + 2H2O Các axit yếu hòa tan trong nước ( axit silixic và axit cacbonic) chỉ được hấp thụ bằng các hạt anionit có nhóm hoạt tính là chất kiềm mạnh và khi trong nước không còn các anion của các axit mạnh (Cl-, SO42-, …). Một số loại ion thường thấy trong nước chưa xử lý: Cation Calcium (Ca2+) Magnesium(Mg2+) Sodium (Na+) Potassium (K+) Iron (Fe2+) Anion Chloride (Cl-) Bicarbonate (HCO3-) Nitrate (NO3-) Carbonate (CO32-) Sulfate(SO42-) Hình 3.2 Chu trình vận hành bộ trao đổi ion. Ưu điểm: phương pháp trao đổi ion là tách được các kim loại nặng có trong nước và có thể hoàn nguyên nhựa đã sử dụng. Nhược điểm: không khử được nồng độ muối lớn hơn 3.000mg/l; cần nhiều bậc lọc phức tạp; hoàn nguyên nhựa phức tạp và tốn kém. Khi các hạt nhựa đã bảo hòa (nồng độ đầu ra = nước đầu vào) ta phải hoàn nguyên nhựa bằng cách xới toàn bộ lớp ionit trong bể lọc với cường độ 6 – 8l/sm2, giảm cường độ xới từ từ để cho các hạt cationit lớn và nặng lắng xuống đáy trước, sau đó đến các hạt anionit nhẹ hơn lắng lên trên lớp cationit. + Bể lọc H-cationit được hoàn nguyên bằng dd axit nồng độ 1-15%; + Bể lọc OH-anionit được hoàn nguyên bằng dd kiềm hay sođa (Na2CO3). 3.2 CÔNG NGHỆ LỌC NƯỚC THẨM THẤU NGƯỢC Cho đến nay, thẩm thấu ngược vẫn là công nghệ cao cấp nhất trong ngành lọc nước. Chính vì thế, nó còn có tên gọi là Hyberfiltration. 3.2.1 Khái Niệm Chung Đó là một quy trình ngược lại của thẩm thấu.  Thẩm thấu là một hiện tượng tự nhiên. Nước bao giờ cũng chuyển dịch từ nơi có nồng độ muối/khoáng thấp đến nơi có nồng độ cao hơn. Quá trình diễn ra cho đến khi nồng độ muối/khoáng từ 2 nơi này cân bằng.  Để làm điều ngược lại (thẩm thấu ngược), người ta dùng một áp lực đủ để đẩy ngược nước từ nơi có hàm lượng muối/ khoáng cao “thấm” qua một loại màng đặc biệt bằng axetyl xenlulo để đến nơi không có hoặc có ít muối/ khoáng hơn. Hình vẽ bên dưới minh họa cho 2 quá trình trên. Hình 3.3 Nước từ nơi sạch đến nơi Hình 3.4 Áp suất cao đẩy nước có nồng độ muối cao hơn. qua màng, đến nơi tinh khiết. Cùng với việc khử muối, khi lọc nước qua màng bán thấm các chất hữu cơ hòa tan, vi khuẩn, vius cũng được loại trừ. Như vậy so với phương pháp trao đổi ion phương pháp này có ưu điểm là cho chất lượng nước tinh khiết hơn và quá trình sản xuất an toàn hơn. 3.2.2 Cơ Cấu Của Quá Trình Chuyển Dịch Qua Màng Có thể chia làm 3 nhóm: lọc, thấm và thấm tách. Lọc: Trong trường hợp này người ta sử dụng màng bán thấm, chất hòa tan được giữ lại do sợi màng chỉ cho nước chảy qua (sự chuyển vận đối lưu của dung môi qua môi trường rỗng). Số lượng các phần tử hòa tan trong nước được giữ lại trên bề mặt của màng gỗ tùy thuộc vào kích thước các lỗ rỗng của màng. Màng lọc lí tưởng chỉ cho phép nước đi qua (thẩm thấu hoàn chỉnh). Thấm: Có khả năng phân chia hỗn hợp bằng cách chọn lọc để chỉ cho đi qua màng một phần tử trong hỗn hợp. Thấm tách: Dùng một loại màng cho phép đi qua một loại ion chọn lọc, không cho nước đi qua. Các màng này có thể là tự nhiên hoặc màng tích điện. Nếu là màng tích điện, nó chỉ cho phép các ion tích điện ngược dấu đi qua, màng có thể là cationic chỉ cho phép các cation đi qua, hoặc màng anionic chỉ cho phép anion đi qua. 3.2.3 Màng Bán Thấm Hay Màng Lọc Màng lọc được xem là một màng mỏng ngăn cách giữa hai dòng chất lỏng, có tác dụng ngăn cản quá trình di chuyển của một hoặc vài thành phần của một hoặc cả hai dòng chất lỏng xuyên qua lớp màng ngăn cách. Màng lọc có thể được chế tạo từ nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau, vật liệu vô cơ hoặc hữu cơ, ở dạng không đối xứng hoặc là đẳng hướng, dạng tấm hoặc là dạng ống, có độ dày khoảng 0,05 đến 0,2mm và có khả năng tách khỏi dung dịch lỏng các phân tử khác nhau (chất lơ lửng, chất hòa tan hoặc dung môi). Màng lọc được chế tạo từ các loại vật liệu polyme rất bền. Màng lọc có khả năng tái sử dụng sau khi được rửa lọc định kỳ bằng hoá chất đặc biệt, có tác dụng loại bỏ các chất cặn bẩn dính bám trên bề mặt màng lọc mà không gây hư màng. Các loại polyme điển hình bao ồgm polysulfone; polyvinylidene fluoride; poluacrylonitrile và polyamide. Màng polyme được chọn do tính tương thích của nó đối với dòng thải, khả năng giữ lại cặn bẩn và tái sử dụng sau một thời gian dài. Các loại màng khác được sản xuất từ Ceramic, sợi cacbon. Các loại màng này thường được sử dụng cho các trường hợp đặc biệt như là dòng thải nhiệt độ cao. Thời gian hoạt động và đời sống của màng lọc: màng lọc sau một thời gian hoạt động phải được rửa lọc định kỳ. Các loại màng lọc có thời gian hoạt động hữu ích từ 1 - 5 năm trong điều kiện hoạt động 24 giờ trong ngày và 7 ngày trong tuần. Tùy theo từng yêu cầu cụ thể khác nhau mà thời gian hoạt động có thể ngắn hơn. Kiểu Màng Lọc: màng lọc được sắp xếp từ các đơn vị modun khác nhau. Hình dạng cơ bản chủ yếu của màng lọc là: Hình ống. Đĩa và khung. Sợi rỗng. Ống Ceramic 5 2 4 1 6 3 Xoắn ốc. Hình 3.5 Màng lọc dạng sợi rỗng. 1. Cửa ra nước tự nhiên 4. Nhựa bọc giữ đầu 2. Cửa ra chất thấm lọc 5. Sợi rỗng 3. Cửa ra chất cô đặc 6. Vỏ bọc 1 12 9 11 10 3 2 8 7 4 6 5 Hình 3.6 Màng lọc kiểu dạng xoắn. 1. Cửa nước vào 7. Gioăng kính giữa môđun và vỏ 2. Cửa chất cô đặc ra 8. Lỗ khoang thu góp các chất thấm lọc 3. Cửa chất thấm lọc 9. Lưới ngăn cách 4. Chiều dòng chảy nước thô 10. Màng mỏng 5. Chiều dòng chảy chất thấm lọc 11. Màng thấm 6. Vật liệu bảo vệ 12. Đường hàn nối hai màng 6 4 2 3 5 1 2 3 3 3 1 4 5 4 5 4 5 4 Hình 3.7 Màng lọc kiểu tấm Hình 3.8 Màng lọc kiểu ống 1. Cửa vào nước thô 1. Cửa nước vào 4. Cửa chất thấm lọc 2. Cửa ra của sản phẩm cô đặc 2. Ống 5. Màng 3. Cửa ra cửa chất thấm lọc 3. Vật liệu đỡ màng 6. Cửa chất cô đặc 4. Tấm trung gian 5. Tập hợp màng – giá đỡ - màng 3.2.4 Phân Loại Màng a. Vi Lọc (Microfiltration) Màng lọc Vi lọc (MF) có kích thước lỗ dao động trong khoảng 0,1 – 2µm. Quá trình vi lọc thường ít được áp dụng trong các quá trình xử lý nước thải do nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải. Trong một số trường hợp, quá trình vi lọc thường được sử dụng kết hợp với các tác nhân trợ lắng, polyme, than hoạt tính và các loại hóa chất khác mà có tác dụng giúp giữ lại thành phần chất thải. Khi sử dụng loại màng này, cần quan tâm đến việc tránh hiện tượng tắc lọc cho màng lọc bằng việc lựa chọn loại màng thích hợp cho từng loại nước thải cụ thể. b. Siêu Lọc (Ultrafiltration) Ultrafiltration là một công nghệ lọc dùng màng áp suất thấp để loại bỏ những phân tử có kích thuớc lớn ra khỏi nguồn nước. Dưới một áp suất không quá 2,5 bar, nước, muối khoáng và các phân tử/ion nhỏ hơn lỗ lọc (0,1- 0,005µm) sẽ “chui” qua màng dễ dàng. Các phân tử có lớn hơn, các loại virus, vi khuẩn sẽ bị giữ lại và thải xả ra ngoài. Mảng lọc loại này được làm thành những ống nhỏ, đường kính ngoài 1,6mm. Một bộ lọc là một bó hàng ngàn ống nhỏ nên diện tích lọc rất lớn, giúp tăng lưu lượng nước lên nhiều lần. Màng lọc này cũng có thể rửa ngược được và có tuổi thọ khá cao, từ 3 – 5 năm. Một số đặc điểm tiêu biểu của công nghệ Ultrafiltration: Quá trình lọc diễn ra ở nhiệt độ bình thường và áp suất thấp nên tiêu thụ ít điện năng, cắt giảm chi phí hoạt động đáng kể. Kích thuớc của hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc dơn giản nên không tốn mặt bằng lắp đặt. Quy trình vận hành đơn giản, không cần nhiều nhân công. Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất và sử dụng phương pháp lọc ccơ học nên không làm biến đổi tính chất hóa học của nguồn nước. Vật liệu của màng lọc không xâm nhập vào nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết trong suốt quy trình xử lý. Hình 3.9 Một đoạn màng UF (dày 0,2mm). c. Lọc Nano (Nanofiltration) Quá trình lọc Nano sử dụng màng lọc có kích thước lỗ lọc nằm giữa kích thước lỗ lọc của màng siêu lọc (UF) và màng thẩm thấu ngược (RO). Các loại màng này khử các loại muối khá hiệu quả bằng cách cho phép các loại muối thấm qua đồng thời cô đặc các thành phần khác như đường, các hợp chất Nitơ và các thành phần các gây nên nồng độ BOD/COD trong dòng thải. Bảng 3.1 Chất lượng nước sau khi lọc bằng màng UF. Tiêu chí Mẫu nước Sau khi lọc Độ đục (NTU) 10,2 0,2 Volatile Phenolic Compound (mg/L) 0,018 < 0,002 COD (mg/L) 3,46 1,46 Chloroform (mg/L) 347 4,5 Tổng số khuẩn Coliform (cfu/mL) 350 0 d. Thẩm thấu ngược ( Reverse Osmosis) Thẩm thấu ngược là quá trình lọc màng kín nhất mà trong đó chỉ cho nước đi qua màng lọc; muối và các chất có khối lượng phân tử lớn được giữ lại. Quá trình lọc thẩm thấu ngược thường được sử dụng như quá trình xử lý bậc 3; cho ra nước có nồng độ BOD/COD thấp gần đạt tiêu chuẩn nước uống. Lọc thẩm thấu ngược thường được tiền xử lý bằng quá trình lọc thô như là siêu lọc (ultrafiltration). Màng RO: Là một màng mỏng làm từ vật liệu Cellulose Acetate, Polyamide hoặc màng TFC có những lỗ nhỏ tới 0,001µm. Tất cả các màng này đều chịu áp suất cao nhưng khả năng chịu pH và chloride không giống nhau. Quá trình: Với tốc độ và áp lực cực lớn, dòng nước chảy liên tục trên bề mặt của màng RO. Một phần trong số những phân tử nước “chui” qua được những lỗ lọc. Các tạp chất bị dòng nước cuốn trôi và “thải” bỏ ra ngoài. Với cách thức này, bề mặt của màng RO liên tục được rửa sạch và có tuổi thọ tới 2 - 5 năm. Tuy vậy, trong quá trình vận hành hiện tượng gây ra tắc màng là không thể tránh khỏi. Do đó phải làm sạch màng bằng hóa chất khoảng sáu tháng một lần. Chọn hóa chất để làm sạch màng, phải chú ý là dung dịch hóa chất này không phá hoại cấu trúc của màng. Thường dùng: Dung dịch axit citric, amonium eitrat (pH = 4 ÷ 8) để hòa tan lắng đọng oxit kim loại. Dung dịch axit clohydric citric để hòa tan lắng đọng cacbonat. Dung dịch kiềm enzyme thuốc tẩy (pH =8 ÷ 11) để loại trừ vật dính bám hữu cơ và vi khuẩn, vi trùng … Trong hệ thẩm thấu ngược RO áp lực thẩm thấu cao hơn hệ siêu lọc UF. Hình 3.10 Các loại tạp chất không qua dược lỗ lọc, bị dòng nước rửa trôi trên bề mặt màng và thải ra ngoài. Màng UF loại bỏ cả cirus Hình 3.11 So sánh kích thước lỗ của các loại màng lọc. 3.2.5 Các Yếu Tố Ảnh Hưởng a. Sự phân cực nồng độ Sự thu hồi hoặc chuyển hóa thường được định nghĩa là phần trăm của nước đầu vào được chuyển hóa thành nước sạch. Nhằm bảo toàn năng lượng, việc vận hành thiết bị ở tốc độ thu hồi càng cao càng tốt nhằm giảm tối đa chi phí cơ bản (ví dụ như thiết bị và bơm cho việc tiền xử lý). Trong trường hợp lượng nước sạch thu hồi quá cao (áp suất ban đầu không đổi), nồng độ chất bẩn trong lượng nước ban đầu còn lại sẽ trở nên đậm đặc hơn và áp suất thẩm thấu tự nhiên cũng tăng cho đến khi bằng với áp suất được áp dụng cho quá trình thẩm thấu ngược. Điều này làm giảm sự chênh lệch áp suất giữa hai bên màng lọc dẫn đến việc làm chậm hoặc gây tắc màng. Khả năng thu hồi tối đa có thể trong một hệ thống màng lọc RO bất kỳ thường không phụ thuộc vào áp suất thẩm thấu giới hạn mà lại phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm hiện diện trong nước thải đầu vào và khuynh hướng đóng cặn của những chất ô nhiễm này trên bề mặt màng lọc. Đó là hiện tượng phân cực nồng độ của màng. Hiểu đơn giản là: khi nước đi qua màng, các phân tử và ion hòa tan trong nước được giữ lại và có xu hướng tích tụ lại trên toàn bề mặt của màng, làm tăng nồng độ muối trong dung dịch và tăng áp lực thẩm thấu, dẫn đến chi phí cao về năng lượng và gây ra sự nguy hiểm do hiện tượng kết tủa của một số chất trên màng. Độ phân cực được xác định bằng hệ số: Trong đó: Cm- nồng độ chất hòa tan trong nước ở lớp tiếp xúc với màng. Ce- nồng độ các chất hòa tan trong nước đem lọc. Màng Phía sau Cm Nước Ce Nồng độ dung dịch Lớp phân cách Hình 3.12 Hiện tượng phân cực nồng độ. b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Hinh 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong khả năng thu hôi nước sạch và lượng chất bẩn tuần hoàn. Hiệu suất của màng lọc khá nhạy cảm với những thay đổi trong nhiệt độ nước đầu vào. Khi nhiệt độ nước đầu vào tăng, lưu lượng nước sạch thu hồi tăng một cách tuyến tính do tốc độ khuếch tán cao của nước qua màng lọc. Khả năng chịu được sự dao động nhiệt độ giúp cho màng lọc được ứng dụng trong phạm vi rộng rãi và cũng là tính chất rất quan trọng cho quá trình rửa lọc vì có thể sử dụng những quá trình rửa lọc nhanh hơn và mãnh liêt hơn. c. Ảnh hưởng của áp suất Áp suất có ảnh hưởng đến cả lưu lượng nước sạch qua màng và lượng chất ô nhiễm tuần hoàn của màng lọc RO. Thẩm thầu được định nghĩa là dòng chảy của nước qua màng lọc theo chiều hướng từ phía dung dịch có nồng độ thấp sang phần dung dịch có nồng độ đậm đặc hơn. Công nghệ thẩm thấu ngược là tác động một áp suất lên dòng nước đầu vào nhằm vượt qua được áp suất thẩm thấu tự nhiên. Áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu được ứng dụng lên dung dịch ô nhiễm và nhờ đó làm thay đổi chiều dòng chảy. Phần nước đầu vào (dung dịch đậm đặc) được đẩy qua màng sẽ trở thành sản phẩm nước sạch. Hình 3.14 Ảnh hưởng của áp suất của lưu lượng nước sạch qua màng và lượng chất bẩn tuần hoàn qua màng RO. d. Ảnh hưởng của pH Hiệu quả khử chất ô nhiễm của màng lọc phụ thuộc vào pH. Lưu lượng nước sạch qua màng cũng có thể bị ảnh hưởng. Ngưỡng chịu đựng pH của màng lọc RO có thể dao động trong khoảng lớn, lưu lượng nước qua màng và việc loại bỏ chất ô nhiễm của màng lọc ổn định trong một khoảng pH khá rộng. Sự ổn định của màng lọc trong khoảng pH rộng cho phép màng lọc hoạt động nhanh hơn, ứng dụng tốt hơn và hiệu quả hơn trong quá trình làm sạch. Hình 3.15 Ảnh hưởng pH và nồng độ muối đến lượng nước sạch qua màng. 3.3 CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG Công nghệ lọc thẩm thấu ngược ngày càng được áp dụng rộng rãi với nhiều thiết bị lọc đa năng. Để kéo dài tuổi thọ của các thiết bị lọc thì trước khi cho nước vào lọc qua màng bán thấm trong các thiết bị lọc hay trạm lọc thẩm thấu cần phải làm trong nước để giảm độ đục xuống dưới 1 NTU, khử trùng bằng tia cực tím UV. Một số thiết bị lọc nước đã có mặt trên thị trường: Thết bị lọc gia đình: Hình 3.16 Máy lọc nước NR.O - 912H. Hình 3.17 Máy lọc nước siêu tinh khiết Manifold NSF RO. Hệ thống lọc RO trong công nghiệp: + Vận hành đơn giản, tự động và giảm thiểu trục trặc; + Khả năng tiết kiệm tối đa chi phí bảo trì bảo dưỡng; + Chất lượng nước đầu ra luôn ổn định, tinh khiết. Hình 3.18 Thiết bị lọc RO công nghiệp.