Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam

- NGUYỄN THỊ THANH THỦY BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------YZYZ.
- NGUYỄN THỊ THANH THỦY KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM MẶN TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ LỌC NANO PHỤC VỤ CẤPNƯỚC VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG KHÓA Hà Nội – Năm 2011 Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam – Nguyễn Thị Thanh Thủy – Cao học CNMT 2009 Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (INEST.
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Cùng với sự gia tăng dân số nhu cầu dùng nước trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội ở Việt Nam đang tăng mạnh.
- Đồng thời việc sử dụng nước dưới đất không hợp lý đã gây ra sụt lún đất, hạ thấp mực nước ngầm ở một số nơi, quá trình xâm nhập mặn gia tăng và khá phổ biến ở nhiều vùng ven biển, ảnh hưởng tới tầng chứa nước ngọt.
- Thêm vào đó lượng mưa có thể giảm đáng kể ở Việt Nam trong thập kỷ tới và hàng triệu người sẽ phải chịu tác động của tình trạng thiếu nước ngày càng gia tăng.
- làm cho nước biển dễ dàng xâm nhập sâu hơn vào trong đất liền khiến cho quá trình mặn hóa càng diễn ra nhanh chóng và nghiêm trọng, đặc biệt là những dòng sông nước ngọt sẽ trở thành sông nước lợ.
- Những ngày cực kỳ khô hạn trong mùa hè, những trận mưa dữ dội trong mùa mưa và nguồn nước bị nhiễm mặn sẽ làm cho nguồn nước sạch ngày càng khan hiếm.
- Việt Nam nằm dọc theo bờ biển Đông của Thái Bình Dương, với bờ biển kéo dài hơn 3200 km nên khu vực duyên hải ven biển nước ta có nguy cơ ngày càng khan hiếm nguồn nước ngọt nên cần thiết phải nghiên cứu các giải pháp cấp nước khác nhau nhằm đảm bảo nhu cầu sử dụng nước thiết yếu của người dân trong hiện tại và tương lai.
- Dựa trên nhu cầu thực tế, dựa trên cơ sở khoa học và các nghiên cứu đã thành công, được sự đồng ý của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường và Giáo viên hướng dẫn là PGS.TS Đặng Xuân Hiển, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam – Nguyễn Thị Thanh Thủy – Cao học CNMT 2009 Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (INEST.
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel vùng duyên hải miền Trung Việt Nam” cho luận văn tốt nghiệp cao học ngành Kỹ thuật môi trường của mình.
- MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục đích nghiên cứu  Lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý nước lợ ứng dụng công nghệ màng  Tính toán thiết kế các công trình cơ bản trong dây chuyền công nghệ xử lý  Thực hiện các bản vẽ kỹ thuật các công trình đã tính toán Đối tượng nghiên cứu: Nước sông bị nhiễm mặn nhẹ (nước lợ).
- Phạm vi nghiên cứu  Giới thiệu các công nghệ xử lý nước mặt được sử dụng trong nước và trên thế giới  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các quá trình lọc bằng màng  Lựa chọn và tính toán thiết kế công nghệ dây chuyền xử lý nước lợ  Vẽ bản vẽ kỹ thuật Đóng góp mới Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lọc màng nano cho xử lý nước nhiễm mặn với hiệu quả xử lý và chi phí chấp nhận được.
- Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học Xây dựng phương pháp luận phát triển một công nghệ xử lý nước nhiễm mặn với chi phí thấp, hiệu suất cao và thân thiện với môi trường góp phần giải quyết vấn đề khan hiếm nước cho các vùng ven biển, đặc biệt là các vùng duyên hải miền Trung Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn Lựa chọn được dây chuyền công nghệ cụ thể xử lý nước nhiễm mặn bằng công nghệ lọc màng nano có thể ứng dụng cho các vùng bị nhiễm mặn và khan hiếm nước ngọt.
- Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam – Nguyễn Thị Thanh Thủy – Cao học CNMT 2009 Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (INEST.
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC MẶT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI Nước là nhu cầu thiết yếu của con người và con người đã dùng nhiều biện pháp khác nhau để xử lý nước đảm bảo nhu cầu sử dụng.
- Nhìn chung có thể coi quá trình xử lý nước nhằm hướng tới các mục đích: đảm bảo cho chất lượng nước tới người sử dụng đạt những yêu cầu an toàn về mặt hóa học, lý học và vi sinh, hấp dẫn (hoặc ít nhất là chấp nhận được) đối với người sử dụng, và có tính ổn định.
- Đối với nước mặt, các yếu tố sau là cần quan tâm hàng đầu trong quá trình xử lý: các chất lơ lửng và các chất keo, rong tảo và vi sinh vật, các chất hòa tan.
- Các quá trình xử lý nước có thể được chia ra làm hai nhóm: nhóm các công nghệ truyền thống và nhóm các công nghệ không truyền thống.
- CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN THỐNG Phương pháp xử lý nước mặt truyền thống bao gồm các công đoạn chính: làm trong, diệt khuẩn, loại bỏ màu, mùi, vị lạ và đôi khi có cả quá trình ổn định nước.
- Dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt theo phương pháp truyền thống Bể chứa nước sạch Công trình thu + Trạm bơmcấpITrạm bơm cấp Mạng phân phối Chất khử trùng Chất keo tụ Hồ sơ lắng Keo tụ Tạo bông Bể lắng Bể lọc Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam – Nguyễn Thị Thanh Thủy – Cao học CNMT 2009 Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (INEST.
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel Thuyết minh sơ bộ các quá trình cơ bản trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt theo phương pháp truyền thống như sau: I.1.1.
- Hồ sơ lắng Lắng là phương pháp đơn giản và thường dùng nhất để tách cặn trong quá trình xử lý nước.
- Đối với nước mặt có hàm lượng cặn cao (>2500mg/l) thường phải sử dụng hồ sơ lắng.
- Tách các hạt cặn có kích thước lớn, nâng cao chất lượng nước đầu vào của các công đoạn xử lý tiếp theo, đảm bảo công đoạn tiếp theo đạt hiệu quả tốt, bảo vệ thiết bị xử lý.
- Cụ thể như: giảm lượng hóa chất sử dụng cho keo tụ, giảm dung tích vùng chứa cặn của bể lắng, giảm bớt các cặn nặng gây khó khăn cho việc xả cặn.
- Các quá trình làm sạch tự nhiên có thể xảy ra khử bớt một phần các chất ô nhiễm, quá trình này cũng có thể xử lý rong tảo trong nước.
- Điều hoà lưu lượng giữa dòng chảy từ nguồn nước vào và lưu lượng tiêu thụ do trạm bơm nước thô đem cấp cho nhà máy xử lý nước, đảm bảo cho nhà máy nước hoạt động ổn định và an toàn.
- Quá trình keo tụ Trong nước sông nói riêng và nước mặt nói chung thường chứa các hạt cặn có nguồn gốc, thành phần và kích thước khác nhau.
- Đối với loại cặn này dùng biện pháp xử lý cơ học như lắng, lọc thì có thể loại bỏ được cặn có kích thước >10-4mm, còn những hạt có kích thước 50 mg/l thì khả năng khử trùng giảm mạnh) nên cần có biện pháp tiền xử lý để loại bỏ hết độ màu, độ đục.
- Công nghệ màng [5] Những màng có độ dày rất mỏng (từ vài µm đến vài trăm µm) đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật xử lý nước bởi khả năng loại bỏ gần như tất cả các tạp chất trong nước như các chất huyền phù, chất keo, chất hữu cơ nhũ, chất hữu cơ tan, các ion có kích thước nhỏ, vi trùng, vi khuẩn.
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel Màng được định nghĩa là một pha hoạt động như một hàng rào chắn đối với dòng chảy của một hỗn hợp gồm chất lỏng và các cấu tử trong đó.
- Màng sử dụng trong xử lý nước có tính thấm chọn lọc đối với các cấu tử cần tách.
- Có nhiều dạng màng khác nhau, các dạng màng thường được phân biệt dựa vào kích thước lỗ xốp của màng.
- Mỗi dạng màng có những đặc điểm đặc trưng và được ứng dụng cho những trường hợp xử lý phù hợp với đặc trưng của màng.
- Những nghiên cứu cụ thể về các quá trình màng sẽ được trình bày cụ thể trong chương II.
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC CẤP Các quá trình phân tách bằng màng đã được sử dụng trong nhiều năm nhưng trong lĩnh vực nước cấp công nghệ màng được ứng dụng với vai trò ngày càng quan trọng trong khoảng 20 năm trở lại đây và đang ngày càng phát triển.
- CÁC CÔNG NGHỆ MÀNG II.1.1.
- Các loại màng Các dạng màng chính bao gồm: a) Màng vi lọc (MF – Micro filtration) Màng vi lọc được xem là quá trình trung gian nằm giữa quá trình lọc truyền thống và màng siêu lọc UF.
- Ban đầu màng MF được ứng dụng chủ yếu để khử trùng nước uống nhờ khả năng tách các vi sinh vật (vi khuẩn, vi rút, vi trùng) rất hiệu quả.
- Màng MF từng bước được nghiên cứu cải tiến phát triển và ngày càng có ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác bên cạnh lĩnh vực xử lý nước.
- Dạng màng: Màng MF có hai dạng màng là màng lọc bề mặt và màng lọc sâu.
- Màng MF lọc bề mặt giữ lại các phần tử có kích thước lớn hơn đường kính lỗ xốp nhờ vào cấu tạo bề mặt của màng là các lỗ xốp có kích thước nhỏ.
- Màng MF lọc bề mặt nhanh chóng bị phủ kín bởi sự tích lũy vật chất trên bề mặt màng nên màng nhanh chóng bị tắc, thời gian sử dụng hữu ích của màng ngắn hơn.
- Tuy nhiên sự tích tụ của các chất bẩn chủ yếu chỉ trên bề mặt màng cũng giúp cho việc vệ sinh màng khá dễ dàng [6].
- Trong khi đó cấu tạo của màng lọc sâu có chứa các lỗ xốp có kích thước tương đối lớn trên bề mặt nên các phần tử có thể đi sâu vào bên trong của màng.
- Các phần tử cần loại bỏ này sau đó sẽ được giữ lại tại các chỗ thắt của lỗ xốp hoặc được hấp phụ trên bề mặt của thành trong lỗ xốp.
- Màng MF lọc sâu có bề mặt hữu ích cho việc tách giữ các phần tử cần loại bỏ rất lớn nên khả năng tách lọc hiệu quả hơn dạng lọc bề mặt.
- Khi hạt bị giữ lại trong màng, độ thấm qua của màng giảm nên áp suất cần thiết để duy trì tốc độ lọc ngày càng tăng.
- Thời gian hoạt động hữu ích của màng tỷ lệ nghịch với tải lượng chất bẩn ở dòng vào [6].
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel b) Màng siêu lọc (UF – Ultra filtration) Màng UF và màng MF khác nhau ở kích thước lỗ trên màng.
- Màng UF là một màng xốp mịn được sử dụng để tách ra khỏi nước các phần tử có kích thước rất nhỏ như chất keo, vi chất tan,… Ban đầu màng UF chưa được ứng dụng trong công nghiệp mà chỉ được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu.
- Màng UF tổng hợp đầu tiên được chế tạo từ Nitro cellulose, sau đó màng UF được nghiên cứu và chế tạo bằng các polyme khác nhau như cellulose acetate, polyacrylonitril, aromatic polyamid, polysulfone và poly vinylidene fluoride và gốm.
- Việc mở rộng ứng dụng màng UF gặp trở ngại lớn đó là vấn đề tắc màng, vấn đề này đã dần dần được khắc phục nhưng vẫn chưa thể loại bỏ hoàn toàn [6].
- c) Màng lọc Nano (NF – Nano filtration) Màng lọc nano là loại màng có kích thước lỗ nhỏ hơn màng siêu lọc UF nhưng lớn hơn kích thước lỗ của màng thẩm thấu ngược RO.
- Màng nano cũng có áp suất động lực thấp hơn so với màng thẩm thấu ngược RO.
- d) Màng thẩm thấu ngược (RO – Reverse Osmosis) Màng RO là loại màng ngăn chặn sự dịch chuyển của tất cả các tạp chất trong nước ở kể cả dạng lơ lửng và dạng hòa tan, trừ nước, nên áp suất động lực phải lớn hơn áp suất thẩm thấu.
- Nhờ khả năng loại bỏ tối đa các tạp chất mà màng RO được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế.
- Các dạng màng cơ bản như trên thường được phân biệt với nhau dựa vào kích thước lỗ của màng và cũng bởi có kích thước lỗ màng khác nhau nên yêu cầu các điều kiện hoạt động và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau.
- Dựa vào khả năng tách loại của từng dạng màng mà lựa chọn loại màng thích hợp cho từng ứng dụng cụ thể [xem Phụ lục 1].
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel II.1.2.
- Cấu tạo và sắp xếp các màng lọc [7] Cấu tạo và sắp xếp các màng lọc theo các dạng mô đun chính sau [32.
- Màng lọc được tráng và gắn chặt lên bề mặt của thành ống.
- Dạng hình sợi rỗng (Hollow fiber module): Có cấu tạo giống dạng màng hình ống, nhưng đường kính sợi nhỏ hơn nhiều, bản thân sợi là màng lọc hình trụ, do đó phải bó lại và đựng trong khung cứng.
- Dạng mô đun này thường được áp dụng trong chế tạo màng MF và UF và thường được ứng dụng trong xử lý nước thải hay trong các thiết bị lọc màng sinh học (membrane bioreactor.
- tổn thất áp suất trong màng lớn.
- Dạng cuộn lại thành ống tròn (Spiral wound module): Màng lọc cuốn tròn bọc lấy ống cứng có độ rỗng cao cho nước đi qua thành dễ dàng.
- Dạng này thường sử dụng cho màng NF và RO.
- quá trình chuyển khối hiệu quả thông qua các lớp đệm.
- Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel .
- có thể sử dụng mà không cần keo dán.
- tổn thất áp suất cao khi chuyển hướng dòng chảy trong mô đun màng.
- Động lực của quá trình lọc màng Sự vận chuyển của các cấu tử qua màng là quá trình quan trọng nhất quyết định tính năng của màng.
- Để quá trình chuyển khối có thể xảy ra cần phải có sự khác biệt về thế năng giữa hai phía của màng.
- Hai loại thế năng chủ yếu trong quá trình màng là thế năng hóa học và điện thế, thế năng điện hóa là tổ hợp của hai loại trên.
- Sự chênh lệch về thế năng sẽ hình thành khi có sự khác biệt về áp suất, nồng độ, nhiệt độ và hiệu điện thế giữa hai phía của màng.
- Thế năng hóa học là động lực của nhiều quá trình chuyển khối.
- Dưới điều kiện đẳng nhiệt, nồng độ, áp suất đóng góp vào hóa thế của một hệ keo như sau: µi = µi0 + RT ln ai + Vi p Hiệu hóa thế của cấu tử i giữa hai phía của màng: ∆µi = RT ln ai + Vi ∆p Với µi : hóa thế của cấu tử i.
- p : áp suất.
- Khi có sự chênh lệch hóa thế giữa hai phía của màng thì quá trình vận chuyển chất sẽ diễn ra.
- Nguyên tắc lọc trong quá trình lọc màng Trong quá trình màng có thể có ba thành phần dòng: dòng vào, dòng thấm và dòng hỗn hợp bị giữ lại.
- Dòng bị giữ lại không phải là dòng sản phẩm thấm nên có thể có hoặc không.
- Khi đó xảy ra hai trường hợp: lọc màng có và không có dòng hỗn hợp bị giữ lại (gồm nước chưa lọc và cặn bẩn).
- Trường hợp lọc không có dòng hỗn hợp bị giữ lại gọi là quá trình lọc đường cụt hay lọc toàn dòng (Dead - end filtration): dung dịch được tạo áp xuyên qua màng.
- Theo sơ đồ mô tả thì lọc theo kiểu đường cụt sẽ có áp suất là hằng số tại mọi điểm trên bề mặt màng.
- Trường hợp lọc có dòng bị giữ lại gọi là quá trình lọc chéo dòng (Cross – flow filtration): khi đó dung dịch sẽ đi vào theo phương tiếp tuyến với bề mặt của màng rồi chia làm các hướng, dòng thấm xuyên qua màng theo chiều vuông góc với bề mặt màng, còn các tạp chất bị giữ lại trên bề mặt màng được dòng dung dịch thô thường xuyên cọ rửa và cùng với dung dịch thô chưa được lọc chảy ra ngoài.
- Lưu lượng dòng thấm tăng lên nhờ áp suất lớn bên dung dịch đậm đặc, nhưng vì chạy dọc theo phương tiếp tuyến của màng nên áp suất giảm dần ở khu vực cuối của bề mặt màng nên đối với phương thức lọc chéo dòng thì áp suất không phải là hằng số tại mọi điểm trên khắp bề mặt màng.
- Có thể nhận thấy với phương thức lọc chéo dòng thì màng luôn luôn được cọ rửa nên giảm được độ phân cực do các chất bẩn bám vào màng gây ra và giảm khả năng màng bị trít tắc nhanh chóng nên tuổi thọ của màng cao hơn màng hoạt động theo nguyên tắc lọc đường cụt.
- Tuy nhiên cấu tạo của thiết bị lọc đường cụt sẽ đơn giản hơn nên giá thành cũng sẽ thấp hơn so với thiết bị hoạt động theo nguyên tắc lọc chéo dòng.
- Việc áp dụng màng hoạt động theo nguyên tắc nào sẽ phụ thuộc vào bản chất của cấu tử cần tách và điều kiện hoạt động cụ thể của ứng dụng đó.
- Thiết bị màng MF có thể được chế tạo theo cả hai nguyên tắc lọc đường cụt và lọc chéo dòng, còn thiết bị màng UF, NF và RO thường được chế tạo theo nguyên tắc lọc chéo dòng

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt