Công nghệ keo tụ, lọc màng UF so với công nghệ xử lý nước mặt

Theo dõi MTĐT trên

Youhei Yabuno¹,Takeyuki Nishikawa¹, Takafumi Yasui¹,Hiroki Nakanishi¹, Nguyễn Việt Anh^{2, *}

¹ Bộ phận Phát triển công nghệ và Sản xuất mô-đun màng, Công ty TNHH Kuraray, Nhật Bản; ² Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng

^*Email: [email protected]

TÓM TẮT: Công nghệ màng lọc là xu hướng công nghệ xử lý nước mới, đang rất được quan tâm. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá hiệu suất quá trình keo tụ - lọc màng UF trên hệ thống thử nghiệm pilot của Kuraray, sử dụng mô đun lọc FG có công suất lọc tối đa 13 m³/h. Với nguồn nước sông Đà có độ đục dao động từ 4,8 – 460,8 NTU, hệ lọc FG cho nước sau xử lý có chất lượng tốt và ổn định (độ đục < 1NTU, chỉ số mật độ bùn SDI < 3), hoàn toàn đáp ứng quy chuẩn nước sinh hoạt mới của Việt Nam QCVN 01-1:2018/BYT, với thông lượng tức thời đạt 137,5 L/m²/h trong hơn 4 tháng thử nghiệm. Trong khi đó, chất lượng nước sau xử lý của hệ lọc cát nhanh truyền thống chỉ đạt độ đục ≥ 1 NTU, SDI > 4. Hệ lọc FG cũng cho thấy khả năng vận hành ổn định với các thử nghiệm nước đầu vào có độ đục cao (đến 1.288 NTU). Các thông số tài chính như chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX) cũng đã được tính toán, phân tích để so sánh hệ lọc FG và hệ lọc cát áp lực truyền thống, cho công suất tương ứng 1.000, 5.000, và 10.000 m³/ngày. Hệ lọc FG có chi phí CAPEX tương ứng bằng 95,0, 96,5 và 89,3%, chi phí OPEX bằng 96,9, 95,7 và 96,4% so với hệ lọc cát áp lực. Kết quả đánh giá cho thấy hệ lọc FG với màng lọc UF có lợi thế cạnh tranh so với hệ lọc cát truyền thống trong xử lý nước cấp cho sinh hoạt, và khả năng ứng dụng lọc màng UF cho các nhà máy nước xây mới hoặc cải tạo là rất triển vọng.

1.GIỚI THIỆU CHUNG

Công nghệ xử lý nước với các công đoạn keo tụ - tạo bông – lắng và lọc cát (lọc áp lực hay lọc nhanh) là công nghệ xử lý nước ăn uống, sinh hoạt rất phổ biến hiện nay. Tuy nhiên, công nghệ này đang dần được thay thế bởi công nghệ lọc màng, cho phép đạt hiệu suất phân tách lỏng-rắn cao hơn. Công nghệ màng được giới thiệu lần đầu vào thập niên 1980 tại Châu Âu và Mỹ như một phương pháp tin cậy để loại bỏ hạt cặn và vi sinh vật gây bệnh. Gần đây, công nghệ lọc màng đã được cải tiến nhiều. Việc bảo trì hệ thống trở nên đơn giản hơn, và chi phí sử dụng màng lọc cũng giảm rõ rệt. Trên thế giới hiện đã có nhiều hệ thống xử lý nước cấp sinh hoạt sử dụng màng lọc với công suất lên đến hàng trăm ngàn m³/ngày.

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành đánh giá công nghệ keo tụ-lọc màng, trong đó nước thô được xử lý sơ bộ bằng chất keo tụ và lọc qua mô-đun lọc FG của hãng Kuraray với màng lọc UF. Bài viết này trình bày kết quả đánh giá, so sánh chất lượng nước sau xử lý, các thông số tài chính như chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX) giữa hệ lọc màng UF và hệ xử lý truyền thống.

2.VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu và hóa chất

Mô-đun lọc FG (Kuraray) với màng lọc UF được sử dụng trong thí nghiệm. Chất keo tụ Polyaluminum chloride (PAC), Công ty Goshu Kohsan cung cấp, được sử dụng làm chất keo tụ. Sodium hypochlorite (NaClO), Nhà máy Hóa chất Việt Trì cung cấp, được sử dụng làm chất oxy hóa, đồng thời duy trì lượng clo dư khử trùng. Axit sulfuric (H₂SO₄₎, Nhà máy Hóa chất Lâm Thao cung cấp, được sử dụng để điều chỉnh pH. Cao lanh (Công ty Hóa chất Hà Nội) được sử dụng trong thí nghiệm làm tăng độ đục. Cát thạch anh (Filtech Co.) được sử dụng làm vật liệu lọc trong cột lọc áp lực đối chứng.

2.2 Mô-đun lọc FG

Mô-đun lọc FG của Kuraray được phát triển từ năm 2016, sử dụng để lọc nước ăn uống. Sản phẩm đã đạt chứng nhận NSF [1] và đã được sử dụng trong các hệ thống lọc nước ăn uống khác nhau ở Nhật Bản.

Cấu trúc chi tiết của mô-đun lọc FG

Mô-đun lọc FG sử dụng màng UF sợi rỗng có thông lượng cao làm từ Polyvinylidene difluoride có khả năng lọc nước tốt với cấu trúc khe rỗng độc đáo, hiệu suất lọc cặn cao với kích thước lỗ rỗng 0,02 μm [2]. Hình 1 cho thấy cấu trúc chi tiết mô-đun FG. Trong mô-đun FG, lõi màng được đặt trong vỏ thép không gỉ, “ống phân phối trung tâm” cung cấp nước thô và khí. Màng lọc này áp dụng nguyên lý lọc vuông góc dead-end (nước đi từ ngoài vào trong sợi màng). Trong quá trình làm sạch vật lý, phần phía trên của mô-đun, nơi cặn bẩn tích tụ nhiều nhất, được làm sạch nhờ khí và nước phun ra từ ống phân phối trung tâm. Cấu trúc “1 đầu tự do” của sợi màng giúp tăng khả năng giũ bỏ cặn bẩn. Nhờ cấu trúc này, có thể ngăn ngừa cặn lơ lửng tích tụ, tăng cường khả năng xả bỏ cặn bẩn trong quá trình làm sạch [3, 4].

2.3 Điều kiện thí nghiệm

Mô-đun FG được vận hành tự động. Chất keo tụ PAC được châm với liều lượng 1,5 mg/l (tính theo Al₂O₃). Dung dịch NaClO được châm trước màng để duy trì nồng độ clo dư trong nước sau lọc ở mức 0,5 mg/l. Công đoạn rửa ngược được tiến hành với tần suất 30 phút lọc/lần. Công đoạn rửa màng, sử dụng NaClO nồng độ 500 mg/L, được tiến hành với chu kỳ 24 giờ lọc/lần. Công đoạn rửa hóa chất, sử dụng H₂SO₄ nồng độ 1,0%, được tiến hành với tần suất 168 giờ lọc/lần. Tỷ lệ thu hồi nước ứng với điều kiện vận hành như trên đạt 98,9%, và thời gian lọc chiếm tới 91,2% tổng thời gian vận hành.

Để so sánh, mô hình lọc cát nhanh cũng được tiến hành trong điều kiện vận hành liên tục. Chiều cao lớp vật liệu lọc bằng cát thạch anh là 800 mm. Hệ lọc cát vận hành với tốc độ lọc 6,0 m/h. PAC được châm vào nước thô với liều lượng 3,0 mg/l (tính theo Al₂O₃). Liều lượng NaClO được châm tương tự như hệ FG.

2.4 Địa điểm, thời gian nghiên cứu và nguồn nước thô

Hệ pilot thử nghiệm được đặt trong 1 container, vận chuyển và lắp đặt trên bờ sông Đà, gần thị trấn Xuân Mai, Hòa Bình. Nước thô được bơm trực tiếp từ sông Đà, ở hạ lưu Nhà máy Thủy điện Hòa Bình lên mô hình thí nghiệm. Thí nghiệm được thực hiện liên tục trong 4 tháng, từ ngày 23/9/2018 đến ngày 15/1/2019.

3.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Chất lượng nước

Bảng 1 thể hiện chất lượng nước sau xử lý của hệ lọc màng FG và hệ lọc cát nhanh, từ 15 mẫu thử và được phân tích bởi một phòng thí nghiệm độc lập có chứng chỉ phù hợp. Nước sau xử lý bằng hệ lọc màng FG có chất lượng theo độ mầu và độ đục tốt hơn so với xử lý bằng hệ lọc cát nhanh. Hệ lọc cát nhanh sử dụng lượng hóa chất keo tụ nhiều hơn. Không có sự khác biệt về chỉ tiêu tổng muối khoáng hòa tan TDS trong nước sau xử lý của hai hệ lọc màng FG và lọc cát nhanh, do màng UF không loại bỏ được các chất hòa tan.

Hình 4 thể hiện kết quả so sánh chỉ số mật độ bùn (SDI) trong nước sau xử lý. SDI trong nước sau xử lý của hệ lọc cát nhanh có giá trị là 4,60, và bằng mắt thường có thể thấy giấy lọc bị nhiễm bẩn sau khi đo SDI, điều đó cho thấy vẫn còn các cặn mịn lơ lửng và keo trong nước sau xử lý. Trong khi đó, SDI trong nước sau xử lý của hệ lọc FG chỉ là 2,58. Không nhìn thấy vết bẩn trên giấy lọc bằng mắt thường. Bên cạnh vấn đề chất lượng nước sử dụng, cặn mịn lơ lửng trong nước sau xử lý sẽ làm gia tăng tốc độ ăn mòn đường ống nước [5]. Nước sau xử lý của hệ lọc FG có chất lượng tốt sẽ giúp tăng tuổi thọ của đường ống nước.

Chất lượng nước của hệ lọc màng UF và hệ lọc cát

So sánh chỉ số SDI giữa hệ keo tụ-lọc màng UF và hệ lọc cát

Chất lượng nước được phân tích, so sánh với Quy chuẩn mới của Việt Nam đối với nước sinh hoạt QCVN 01-1:2018/BYT [6]. Nước được xử lý bằng hệ thống lọc màng UF phù hợp với quy chuẩn nước sinh hoạt của Việt Nam.

3.2. Các chỉ số hoạt động của hệ pilot với màng lọc UF

Hình 5 thể hiện sự biến đổi của độ đục trong nước thô, giá trị trung bình ngày và độ đục tối đa, độ chênh áp qua màng (trans membrane pressure - TMP) và thông lượng tức thời (instataneous flux). Các số liệu được tổng hợp từ các thiết bị đo trực tuyến (on-line), thường xuyên tự động cập nhật dữ liệu trong suốt thời gian thí nghiệm: độ đục 2 phút/lần, thông lượng và áp suất 1,5 h/lần trong suốt 121 ngày vận hành.

Diễn biễn độ đục trong nước thô

TMP và thông lượng tức thời của màng lọc thử nghiệm

Độ đục trung bình ngày của nước sông dao động trong khoảng 10 đến 20 NTU. Độ đục lớn nhất có thể lên tới 500 NTU. Tuy nhiên, không có sự gia tăng TMP trong thời gian đó. Điều này khẳng định khả năng hoạt động ổn định của hệ thống khi chất lượng nước đầu vào biến đổi. Xét theo TMP và thông lượng tức thời, hệ thống hoạt động ổn định khi thông lượng tức thời là 137,5 L/m²/h và TMP từ 20 đến 30 kPa. Mặc dù thông lượng tức thời tương đối cao, màng lọc vẫn giữ lại tốt các chất cặn, keo. Hình 5(b) biểu thị sự thay đổi của áp suất qua màng theo thời gian, bao gồm cả thời gian rửa màng bằng hóa chất H₂SO₄. Giá trị TMP dù có tăng nhẹ trước đó, nhưng đã trở lại bình thường sau khi rửa màng bằng H₂SO₄.

3.3.So sánh chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX)

Căn cứ theo kết quả thử nghiệm, các thông số tài chính CAPEX và OPEX của hệ lọc màng UF được tính toán, so sánh với hệ lọc cát. Các đơn giá được lấy theo đơn giá thực tế của các nhà thầu (EPC) có kinh nghiệm tại thị trường Việt Nam. Việc tính toán chi phí được thực hiện dựa trên giả định rằng các thiết bị chính được nhập khẩu từ Nhật Bản, các bể được xây dựng và đường ống được sản xuất tại Việt Nam. CAPEX và OPEX của hệ lọc màng UF và hệ xử lý truyền thống (với bể lọc cát áp lực) được tổng hợp trong Hình 6, với công suất nhà máy được tính toán là 1.000 m³/ngày, 5.000 m³/ngày, và 10.000 m³/ngày.

So sánh CAPEX và OPEX (UF: lọc màng UF; SAND: lọc cát).

(Ghi chú: 1,000 m3/d là 1.000 m³/ngày; CAPEX của hệ lọc UF bao gồm phần thiết bị: hệ châm hóa chất, keo tụ/tạo bông, cụm lọc màng, mô-đun màng, xử lý nước thải, và chi phí phần xây dựng. CAPEX của hệ lọc cát bao gồm: hệ châm hóa chất, keo tụ/tạo bông, hệ lắng, cụm bể lọc, xử lý nước thải, và chi phí phần xây dựng).

So sánh CAPEX cho thấy hệ lọc màng UF có chi phi đầu tư rẻ hơn, chỉ bằng 95,0; 96,5, 89,3% so với hệ lọc cát. Xét theo CAPEX, công suất nhà máy càng cao, thì suất đầu tư càng thấp. So sánh OPEX cũng cho thấy hệ lọc màng UF có chi phí vận hành rẻ hơn, bằng 96,9; 95,7; 96,4% so với hệ lọc cát tương ứng. Tính toán OPEX được thực hiện dựa trên giả định màng UF sẽ được thay thế sau 5 năm. Trên thực tế, nếu sử dụng màng lọc UF làm từ PVDF của Kuraray, tuổi thọ màng sẽ trên 5 năm. Thêm vào đó, diện tích của toàn bộ cụm xử lý lọc màng UF ít hơn 70% so với cụm xử lý lọc cát truyền thống.

4.KẾT LUẬN

Kết quả thử nghiệm xử lý nước bằng công nghệ lọc màng UF trên mô-đun lọc FG của Kuraray, có xử lý sơ bộ bằng chất keo tụ cho thấy hệ lọc FG có chất lượng nước tốt hơn (NTU < 1, SDI <3, đáp ứng QCVN 01-1:2018/BYT) so với hệ lọc cát truyền thống. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy mô-đun FG với màng UF có thể hoạt động với nước có độ đục cao một cách ổn định và an toàn. Các thông số tài chính như CAPEX và OPEX đã được phân tích, mô phỏng các nhà máy nước thực tế, sử dụng các kết quả thử nghiệm. CAPEX và OPEX của hệ lọc FG thấp hơn so với hệ lọc cát truyền thống.

Kết quả thử nghiệm đã cho thấy hệ lọc FG cho phép đạt chất lượng nước sau lọc tốt hơn và đạt hiệu quả kinh tế cao hơn. Công nghệ lọc màng UF có nhiều tiềm năng áp dụng để xử lý nước cấp, hướng tới đáp ứng yêu cầu chất lượng ngày càng cao cho người sử dụng. Công nghệ có thể áp dụng cho cả những công trình xây mới và những công trình cải tạo.

TÀI LIỆU Tham khảo

1. NSF/ANSI 61, Certificate# C0437301-01, C0437302-01.
2. Yabuno, T. Yoshitoshi, Y. Hayashi, Màng sợi rỗng và phương pháp sản xuất màng sợi rỗng,Patent WO2015/146469 (tiếng Anh).
3. Yabuno. Mô-đun màng lọc sợi rỗng có tính thẩm thấu và kháng SS cao, Membrane 42 (2017) 128-132 (tiếng Nhật).
4. Website sản phẩm màng lọc sợi rỗng của Kuraray; https://kuraray-membrane.com/en/purear/gl.
5. H.G. Vreeburg, D. Schippers, J.Q.J.C. Verberk, J.C. van Dijk, Tác động của cặn mịn tích tụ trên hệ thống đường ống phân phối nước uống, Water Res. 42 (2008) 4233-4242.
6. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN 01-1:2018/BYT, Bộ Y tế, 2018.