Nghiên cứu ứng dụng màng lọc Nano (NF) lọc nước nhiễm mặn thành nước sinh hoạt, trường hợp nghiên cứu điển hình tại huyện đội An Minh/tỉnh đội Kiên Giang/quân khu 9 - Nguyễn Thế Tiến

Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. T. Tiến, B. H. Hà, , “Nghiên cứu ứng dụng màng lọc Nano Quân khu 9.” 236 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÀNG LỌC NANO (NF) LỌC NƯỚC NHIỄM MẶN THÀNH NƯỚC SINH HOẠT, TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH TẠI HUYỆN ĐỘI AN MINH/TỈNH ĐỘI KIÊN GIANG/QUÂN KHU 9 Nguyễn Thế Tiến, Bùi Hồng Hà, Phạm Công Minh, Nguyễn Thành Luân* Tóm tắt: Bài viết giới thiệu kết quả nghiên cứu ứng dụng màng lọc Nano (NF) để thiết kế, chế tạo thiết bị xử lý nước nhiễm mặn thành nước ngọt đạt quy chuẩn Việt Nam QCVN 02:2009/BYT với công suất 1m3/giờ kịp thời cung cấp nước sinh hoạt cho bộ đội thuộc huyện đội An Minh/tỉnh đội Kiên Giang/Quân khu 9 trong điều kiện thời tiết khô hạn, xâm nhập mặn do biến đổi khí hậu và nước biển dâng gây ra. Từ khóa: Màng lọc nano (NF), Nước nhiễm mặn, Nước sinh hoạt. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Việt Nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề do biến đổi khí hậu (BĐKH) và nước biển dâng (NBD), trong đó, khu vực đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là khu vực chịu ảnh hưởng lớn nhất của Việt Nam. Cuối năm 2015 và nửa đầu năm 2016, ĐBSCL trải qua một hiện tượng thiên tai lịch sử do xâm nhập mặn. Do tác động của El Nino, lượng mưa trong khu vực giảm mạnh khoảng 20- 30% so với trung bình nhiều năm, trong khi đó, lượng nước sông Mê Kông về Việt Nam giảm 50%, dẫn đến tình trạng mặn lấn sâu vào đất liền ĐBSCL. Nhiều nơi nước mặn vào sâu đất liền tới 70-90 km, sâu hơn trung bình nhiều năm từ 15 đến 20 km. Một trong những đơn vị chịu ảnh hưởng lớn của đợt xâm nhập mặn này là huyện đội An Minh thuộc tỉnh đội Kiên Giang/QK9. Các nguồn nước cấp tự nhiên tại huyện An Minh (nước ngầm, nước ao hồ và nước sông) đều bị nhiễm mặn và nhiễm phèn nặng do không có mưa trong thời gian dài. Kết quả đo đạc vào giữa tháng 3/2016 cho thấy, nước ngầm có độ mặn là 7-8 g/l; nước ao hồ tại khu vực có độ mặn lên tới 25g/l. Thông thường, nước sông có độ mặn từ 1-8g/lít. Tuy nhiên, có những thời điểm trong tháng 4, độ mặn của sông lên tới 25g/l. Từ thực trạng đó, việc nghiên cứu chế tạo hệ thống lọc nước nhiễm mặn thành nước sinh hoạt vô cùng cấp bách [2]. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu 2.1.1. Nước nhiễm mặn Khái niệm nước nhiễm mặn được thay đổi tùy theo các quan điểm nhìn nhận. Về mặt kỹ thuật, người Anh-Mỹ cho rằng nước nhiễm mặn chứa từ 0,5 hoặc 1 tới 17 hoặc 30 gam muối hòa tan trong mỗi lít nước, thông thường được biểu diễn dưới dạng 0,5/1 tới 17/30 phần nghìn (ppt hay ‰). Vì thế, nước lợ bao phủ một khoảng chế độ mặn và nó không thể có định nghĩa chính xác. Tuy nhiên, Từ điển Bách khoa Toàn thư Việt Nam coi nước nhiễm mặn là nước có độ mặn từ 1.000 tới 10.000 mg/l hay 1 tới 10 ppt. Một đặc trưng là độ mặn của chúng có thể dao động mạnh theo thời gian và/hoặc không gian. 2.1.2. Màng lọc nano Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 237 Công nghệ xử lý nước nhiễm mặn thành nước ngọt cũng rất đa dạng khác nhau. Trên thế giới hiện có nhiều phương pháp lọc nước mặn, nước nhiễm mặn thành nước ngọt. Đó là phương pháp: lọc đa tầng (dùng các hoạt chất than, cát, sỏi để lọc); phương pháp chưng cất sử dụng năng lượng mặt trời (SD) (giống như phương pháp nấu rượu); phương pháp “thẩm thấu ngược” dùng màng lọc RO; phương pháp điện thẩm tích (ED); phương pháp sử dụng nhựa trao đổi ion và phương pháp sử dụng màng lọc nano (NF) [3]. Với công nghệ RO như hiện nay, để xử lý nước biển với nồng độ muối 35.000 mg/l thành nước đạt yêu cầu dùng cho sinh hoat (nồng độ muối không vượt quá 250 mg/l) thì cần cung cấp áp lực tổng cộng là 60 -100 atm. Công nghệ RO, do đó, có chi phí đầu tư, vận hành và quản lý rất cao. Phương pháp sử dụng NF là phương pháp mới đang được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam và trên thế giới trong những năm gần đây. Các nghiên cứu ban đầu cho thấy phương pháp này tương đối hiệu quả với nguồn nước có độ mặn từ 1.000 – 10.000 mg/l, với chi phí năng lượng không cao. Màng NF là loại màng có kích thước lỗ nhỏ (10-7 cm = 10A0), phân tử lượng bị chặn từ 200-500 g/mol. 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 loại bỏ được khoảng 95% ion kim loại hóa trị 2 và khoảng 40-60% các ion hóa trị 1/1,2,5/. Áp suất động lực của màng lọc nano thường là <40atm, thấp hơn so với màng thẩm thấu ngược. Đây là loại màng bất đối xứng, tổ hợp composite. Độ dày màng gồm lớp đỡ 150µm, lớp da màng 1 µm. Đặc tính màng là kích thước lỗ xốp 0,05m3.m-2.ngày.bar-1. Màng lọc nano được ứng dụng để xử lý nước nhiễm mặn, làm mềm nước, loại bỏ chất hữu cơ, vi sinh mà không nhờ đến các phản ứng hóa học [5]. 2.2. Thiết kế hệ thống lọc nước dùng NF Hình 1. Sơ đồ công nghệ HTXL nước lợ thành nước sinh hoạt. Đầu năm 2016, các tỉnh thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Kiên Giang nói riêng bị ảnh hưởng lớn bởi đợt xâm nhập mặn nghiêm trọng chưa từng có do nắng nóng kéo dài, nguồn nước từ thượng nguồn sông Mê Kông Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. T. Tiến, B. H. Hà, , “Nghiên cứu ứng dụng màng lọc Nano Quân khu 9.” 238 đổ về vùng đồng bằng sông Cửu Long yếu và thấp hơn mức trung bình hàng năm dẫn đến nhiễm mặn sâu. Tình trạng thiếu nước ngọt sinh hoạt càng trở nên căng thẳng hơn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến công tác huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu của bộ đội. Từ thực tế đó, nhóm nghiên cứu của Viện Nhiệt đới môi trường đã tiến hành xây dựng mô hình thử nghiệm hệ thống lọc nước lợ thành nước sinh hoạt bằng màng NF điển hình cho Huyện đội An Minh, Tỉnh đội Kiên Giang, QK9 nhằm khắc phục tình trạng thiếu nước sinh hoạt. Sơ đồ quy trình công nghệ được trình bày trong hình 1 [2]. 3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN 3.1. Tính toán hệ thống xử lý nước nhiễm mặn Nước lợ có độ mặn < 2.500 mg/l sẽ được xử lý qua 2 cấp là Tiền xử lý với công nghệ chính là lọc màng UF và khử mặn bằng lọc màng NF. Tiền xử lý: Nước đầu vào từ hồ chứa được loại chất rắn lơ lửng bằng lọc cát áp lực, khử phèn (nếu có) bằng cột lọc đa vật liệu, loại các chất keo, vi sinh qua hệ thống lọc tinh bằng màng vi lọc 1 cấp 5 µm và lọc siêu lọc (UF) trước khi được khử mặn. Theo kết quả thử nghiệm hệ thống lọc nước cơ động của TS. Trần Minh Chí (2014) thì chất nước mặt sau lọc UF có khả năng đạt QCVN 02:2009/BYT. [1]. Tuy nhiên, độ mặn thể hiện qua chỉ tiêu TDS giảm không đáng kể khi qua công đoạn này. Như vậy, trong trường hợp TDS > 500 mg/l thì nước sau xử lý UF không thể đạt QCVN 02:2009/BYT. Nghiên cứu khử mặn bằng màng NF: Để lựa chọn màng NF khử mặn với nước đầu vào có TDS < 2.500 mg/l, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm chuyên dụng để kiểm tra tính toán với giả thiết màng UF đã tiền xử lý hầu hết các thành phần chỉ trừ thành phần muối. Các kịch bản được chạy với TDS = 1.500 mg/l; 2.000 mg/l; 2.500 mg/l; 3.000 mg/l; 5.000 mg/l. Tiến hành chạy chương trình phần mềm mô phỏng với sơ đồ như hình 2 và giao diện phần mềm tính toán như hình 3: 6 7 Hình 2. Sơ đồ chạy chương trình phần mềm. Kết quả chạy chương trình phần mềm được trình bày trong bảng 1. Dựa vào kết quả được trình bày trong bảng 1 cho thấy, với TDS đầu vào 2.500 mg/l thậm chí lên đến 4.000 mg/l thì nước sau xử lý vẫn đạt QCVN 02:2009/BYT (TDS < 500 mg/l). Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu suất thu hồi thì khi TDS đầu vào tăng thì áp lực lọc cũng tăng theo. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 239 Hình 3. Giao diện phần mềm tính toán màng NF. Bảng 1. Kết quả chạy phần mềm. TT Nước cấp vào Nước sau xử lý Hiệu suất thu hồi (%) Áp lực lọc (Bar) TDS (mg/l) Q (m3/h) TDS (mg/l) Q (m3/h) 1 1.000 2,5 91 1 40% 7,9 2 1.500 2,5 139 1 40% 8,7 3 2.000 2,5 195 1 40% 9,0 4 2.500 2,5 253 1 40% 9,5 5 3.000 2,5 312 1 40% 11,0 6 4.000 2,5 425 1 40% 11,5 7 5.000 2,5 525 1 40% 13,5 3.2. Thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn Dựa vào chất lượng nước đầu vào, cùng với kết quả phần mềm tính toán màng NF nhóm thực hiện tính toán thiết kế hệ thống lọc nước nước nhiễm mặn. Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống: Hệ thống được thiết kế, lựa chọn và lắp đặt với các thông số chính được trình bày trong bảng 2. Bảng 2. Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống. TT NỘI DUNG THÔNG SỐ GHI CHÚ 1 Hồ chứa nước nhiễm mặn DxRxS (30x23x2,5)m Đáy và thành hồ được trải tấm HDPE. Kè thành hồ cao 0,2m 2 Yêu cầu nước đầu vào hệ thống xử lý (độ mặn) độ mặn ≤ 2.500mg/l Nước lấy từ sông Xáng Xẻo Rô 3 Công suất hệ thống xử lý 1 m3/giờ 4 Yêu cầu chất lượng nước Nước sinh hoạt Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. T. Tiến, B. H. Hà, , “Nghiên cứu ứng dụng màng lọc Nano Quân khu 9.” 240 TT NỘI DUNG THÔNG SỐ GHI CHÚ sau xử lý đạt QCVN 02:2009/BYT 5 Nguồn điện 3 pha Có thể sử dụng điện lưới hoặc máy phát điện 6 Công suất tiêu thụ điện 3 - 5 kW/h 7 Khối lượng thiết bị (tổng cộng) < 1 tấn 8 Kích thước mặt bằng lắp đặt DxR = 4x2 m 8 m2 Có thể tích hợp trong Container 20ft 9 Chí phí vận hành dự kiến: <20.000 đ/m3 Tùy điều kiện cụ thể của nơi lắp đặt 3.3. Kết quả vận hành hệ thống Sau khi thiết kế, chế tạo hệ thống được lắp đặt và vận hành thử nghiệm tại huyện đội An Minh, kết quả thử nghiệm được trình bày trong bảng 3. Bảng 3. Kết quả vận hành thực tế. TT Nước cấp vào Nước sau xử lý Hiệu suất thu hồi (%) Áp lực lọc (Bar) TDS (mg/l) Q (m3/h) TDS (mg/l) Q (m3/h) 1 2.500 2,5 67 1 40% 9.9 2 2.800 2,5 78 1 40% 11 3 3.100 2,5 78 1 40% 11,5 4 3.200 2,5 80 1 40% 11,5 Bảng 4. Kết quả đo nhanh chất lượng nước sau lọc. TT 27/04/2016 28/04/2016 29/04/2016 19/05/2016 20/05/2016 21/05/2016 TXL SXL TXL SXL TXL SXL TXL SXL TXL SXL TXL SXL pH 7,2 7,2 6,9 6,9 7,3 7,3 6,8 6,8 6,8 6,9 6,9 6,9 TDS (mg/l) 2.670 79 2.800 99 2.530 75 2.600 79 2.600 79 2.590 78 Q (m3/h) 2,5 1,3 2,5 1,2 2,5 1,3 2,5 1,3 2,5 1,3 2,5 1,3 Dựa vào kết quả thử nghiệm và vận hành thực tế được trình bày ở bảng 3 và bảng 4 cho thấy, với TDS đầu vào 2.500 – 3.200 mg/l thì nước sau xử lý vẫn đạt QCVN 02:2009/BYT với TDS<100 mg/l. Giá trị này thấp hơn nhiều so với chạy phần mềm. Điều này là do màng mới chạy lần đầu nên hiệu quả xử lý còn cao. Nồng độ TDS đầu vào tăng thì áp suất lọc phải tăng theo để đảm bảo hiệu suất thu hồi điều này đúng với phần mềm mô phỏng đã dự đoán. 4. KẾT LUẬN Việc thử nghiệm thành công hệ thống lọc nước nhiễm mặn thành nước sinh hoạt bằng công nghệ màng NF có một ý nghĩa quan trọng cho việc đảm bảo nước sinh hoạt cho bộ đội. Trước mắt là đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt cho Huyện đội An Minh, là nơi đã gánh chịu hậu quả rất nghiêm trọng của đợt hạn hán kéo dài, xâm nhập mặn nghiêm trọng năm 2016 dẫn đến tình trạng cạn kiệt nguồn nước ngọt ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của bộ đội làm giảm khả năng huấn luyện và sẵn Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 241 sàng chiến đấu của đơn vị. Bên cạnh đó, ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước mặn và nước lợ thành nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt là một công nghệ hợp lý, góp phần giải quyết thiếu nước nước sạch đối với nhân dân vùng ven biển và hải đảo, nhất là trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay. Ngoài ra, mô hình này có thể thiết kế nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu cơ động phục vụ cho huấn luyện dã ngoại, đồng thời có thể nhân rộng cho các đơn vị tương tự trong toàn quân. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Minh Chí, Báo cáo nhiệm vụ “Chế tạo hệ thống thiết bị lọc nước di động lắp trên phương tiện giao thông đường thủy cho đơn vị cấp tiểu đoàn sử dụng trong huấn luyện, diễn tập vùng sông nước, công suất: 24 m3/ ngày”. Viện Nhiệt đới môi trường, 2011. [2]. Nguyễn Thế Tiến, Báo cáo nhiệm vụ “Thiết kế, chế tạo hệ thống lọc nước nhiễm mặn thành nước sinh hoạt huyện đội An Minh, tỉnh đội Kiên Giang, Quân khu 9, công suất: 1m3/ngày” Viện Nhiệt đới môi trường, 2016. [3]. Nicholas P. Cheremisinoff. Membrane separation technology, In: Handbook of Water and Wastewater Treatment Technology. Boston: Butterworth and Heinemann, 2002. [4]. Taylor J.S., and E.P. Jacobs. “Nanofiltration and reverse osmosis”. In: Water Treatment Membrane Process. New York: McGraw- Hill, 1996. [5]. Johannes M.K. Timmer. “Properties of nanofiltration membranes: model development and industrial application”. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2001. [6]. N. Hilal, H. Al-Zoubi, ... “A comprehensive review of nanofiltration membranes: Treatment, pretreatment, modelling, and atomic force microscopy”. In: Desalination 170 (2004), pp. 281- 308, 2004. ABSTRACT RESEARCHING APPLICATION OF NANOFILTRATION MEMBRANE (NF) FOR SALTWATER PURIFICATION SYSTEM TO PRODUCE FRESH WATER, CASE STUDY AT MILITARY COMMAND OF AN MINH DISTRICT /MILITARY COMMAND OF KIEN GIANG PROVINCE/MILITARY REGIONS 9 The paper presents application of NanoFiltration (NF) for saltwater purification system to produce fresh water with capacity of 1m3/h at Military Command of An Minh District, Military Command of Kien Giang province, Military Regions 9. The system was implemented in April, 2016 by Institute for Tropicalization and Environment. Keywords: NanoFiltration (NF), Saltwater, Water. Nhận bài ngày 07 tháng 6 năm 2017 Hoàn thiện ngày 17 tháng 8 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 9 năm 2017 Địa chỉ: Viện Nhiệt đới môi trường/ Viện KH-CN quân sự. * Email: thanhluan.vittep@gmail.com.