Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt

B1-2-TMĐT THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ 1 I. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1 Tên đề tài 2 Mã số Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam. 3 Thời gian thực hiện: 30 tháng (Từ tháng 01 /2010 đến tháng 6 /2012) ĐTĐL.2010T/31 4 Cấp quản lý Nhà nước X Tỉnh 5 Bộ Cơ sở Kinh phí 2670 triệu đồng, trong đó: Nguồn Tổng số - Từ Ngân sách sự nghiệp khoa học 2670 - Từ nguồn tự có của tổ chức - - Từ nguồn khác - Thuộc Chương trình: Mã số: 6 Thuộc dự án KH&CN; X 7 Đề tài độc lập; Lĩnh vực khoa học X 8 Tự nhiên; Nông, lâm, ngư nghiệp; Kỹ thuật và công nghệ; Y dược. Chủ nhiệm đề tài Họ và tên: Trần Đức Hạ Ngày, tháng, năm sinh: 18 tháng 7 năm 1953 Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị: Phó Giáo sư, Tiến sĩ. Chức danh khoa học: 1 Chức vụ: Chủ nhiệm bộ môn Cấp thoát nước – Môi trường nước Điện thoại: Tổ chức: 04 38697010 Nhà riêng: 04 35142864 Mobile: 0903235078 Fax: 04 38693714 E-mail: [email protected] Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Xây dựng Địa chỉ tổ chức: Số 55 Đường Giải phóng, Hà Nội Địa chỉ nhà riêng: I16B Thái Hà, Láng Hạ, đống Đa, Hà Nội. 9 Thư ký đề tài Họ và tên: Trần Thị Việt Nga Ngày, tháng, năm sinh: 11 tháng 9 năm 1974 Nam/ Nữ: Nữ Học hàm, học vị: Tiến sĩ Chức danh khoa học: Chức vụ: Nghiên cứu viên/Giảng viên Điện thoại: Tổ chức: 04 38697010 Nhà riêng: 04.38523087 Fax: 04 38693714/04 38697010 Mobile: 0974796169 Email: [email protected] Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Xây dựng Địa chỉ tổ chức: 55 Giải phóng, Hai Bà Trưng , Hà Nội Địa chỉ nhà riêng: B1, phòng 204, phường Trung Tự, quận Đống Đa , Hà Nội 10 Tổ chức chủ trì đề tài Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Xây dựng Điện thoại: 04. 04 38697010 Fax: .04.38693714 E-mail: [email protected] Website: vnwater.org Địa chỉ: trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, Hà Nội. Họ và tên thủ trưởng tổ chức: TS Lê Văn Thành Số tài khoản kho bạc nhà nước: 301.01.044 Kho bạc Nhà nước quận Hai Bà Trưng, thành phố Hà Nội. Tên cơ quan chủ quản đề tài: Trường Đại học Xây dựng, Bộ Giáo dục và Đào tạo. 11 Các tổ chức phối hợp chính thực hiện đề tài (nếu có) 1.Tổ chức 1 : Trung tâm Đào tạo ngành nước và Môi trường Tên cơ quan chủ quản : Bộ Xây dựng Điện thoại: 04.38780619 Fax: 04.38271305 Địa chỉ: Yên Thường – Gia Lâm – Hà Nội Họ và tên thủ trưởng tổ chức: TS. Nguyễn Bá Thắng 2.Tổ chức 2: Trung tâm nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường nông thôn quốc gia (CERWASS) 2 Tên cơ quan chủ quản: Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn Điện thoại: 04.38355964 Fax: 04.37760439 Địa chỉ: Số 73 đường Nguyên Hồng, quận Đống Đa, Hà Nội Họ và tên thủ trưởng tổ chức: ThS. Lê Thiếu Sơn 12 Các cán bộ thực hiện đề tài Nội dung công việc tham gia Thời gian làm Họ và tên, học Tổ chức việc cho đề tài hàm học vị công tác (Số tháng quy 2 đổi ) 1 Trần Đức PGS.TS 2 ĐHXD Xây dựng đề cương chi tiết. Khảo sát và thu thập số liệu. Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano (lý thuyết, thực nghiệm). Lý thuyết lọc nano. Các đề xuất giải pháp công nghệ. Viết báo cáo giữa kỳ, báo cáo nghiệm thu cấp cơ sở và báo cáo tổng kết. Thực hiện thí nghiệm ngoài hiện trường trên trạm xử lý biển công suất khoảng 5 m3/h. 24 tháng ĐHXD Khảo sát và thu thập số liệu. Nghiên cứu lọc nano để xử lý nước biển (lý thuyết, thực nghiệm). Nghiên cứu công nghệ xử lý nước biển. 24 tháng ĐHXD Nghiên cứu lý thuyết tính toán bể lọc nano. Nghiên cứu đưa ra phương pháp tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước biển có ứng dụng màng lọc nano. 12 tháng ĐHXD Nghiên cứu màng lọc nano. Tính toán thiết kế bể lọc nano. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm màng lọc nổi và các thiết bị xử lý khác. 12 tháng ĐHXD Khảo sát thu thập số liệu. Thực hiện các thí nghiệm phân tích hóa lý mẫu nước. 18 tháng ĐHXD Khảo sát thu thập số liệu. Thực hiện các thí nghiệm phân tích hóa lý và vi sinh mẫu nước. 12 tháng ĐHXD Khảo sát thu thập số liệu. Thực hiện các thí nghiệm phân tích hóa lý mẫu nước. 12 tháng Hạ, Trần Thị Việt Nga, TS (Thư ký đề tài) 3 Nguyễn Việt Anh, PGS.TS 4 Phạm Tuấn Hùng, TS 5 6 7 2 Nguyễn Quốc Hòa, ThS Trần Công Khánh, ThS Trần KS. Thúy Anh, Một (01) tháng quy đổi là tháng làm việc gồm 22 ngày, mỗi ngày làm việc gồm 8 tiếng 3 8 Trung tâm đào Nghiên cứu quá trình xử lý trước màng Nguyễn Bá Thắng, tạo ngành nước lọc nano (lọc, vi lọc…) và RO để đối TS và môi trường chứng 9 tháng 9 Trung tâm đào Nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế tạo ngành nước dây chuyền công nghệ xử lý nước biển sử Hoàng Quốc Liêm, và môi trường dụng màng lọc nano. Nghiên cứu đưa ra ThS qui trình vận hành cụm xử lý. 12 tháng 10 Nguyễn Luân, ThS Thành CERWASS Nghiên cứu triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra hiện trường. 9 tháng II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG KH&CN VÀ PHƯƠNG ÁN TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 13 Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu sử dụng màng lọc nano áp lực thấp trong các dây chuyền công nghệ xử lý nước biển và ven biển thành nước dùng cho sinh hoạt ; Lắp đặt trình diễn hệ thống xử lý nước biển áp lực thấp bằng màng lọc nano trong phòng thí nghiệm và ở quy mô thử nghiệm. 14 Tình trạng đề tài X Mới Kế tiếp hướng nghiên cứu của chính nhóm tác giả Kế tiếp nghiên cứu của người khác 15 Tổng quan tình hình nghi ê n cứu, luận giải về mục tiêu và nhữn g nội dun g nghi ê n cứu của Đề tài 15.1 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của Đề tài Ngoài nước : Trên Trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế. Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế, 97,5% nước trên Trái đất là nước biển và không hơn 2,5% là nước ngọt. Ngoài ra, phần lớn nước ngọt được dự trữ trong các sông băng, tảng băng và dưới lòng đất. Nước mà con người có thể sử dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0,01% tổng lượng nước ngọt. Trong khi đó, dân số toàn cầu tăng tới tám tỷ vào năm 2025. 3,5 tỷ người trong số này chắc chắn sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước. Nước biển có độ mặn không đồng đều trên toàn thế giới mặc dù phần lớn có độ mặn nằm trong khoảng từ 3,1% tới 3,8%. Khi sự pha trộn với nước ngọt đổ ra từ các con sông hay gần các sông băng đang tan chảy thì nước biển nhạt hơn một cách đáng kể. Thành phần nước biển trên trái đất theo các nguyên tố được nêu trong Bảng 1. Bảng 1. Nguyên tố Ôxy Clo Magiê Canxi Brôm Phần trăm 85,84 1,94 0,1292 0,04 0,0067 Nguyên tố Hiđrô Natri Lưu huỳnh Kali Cacbon /Nguồn: vi.wikipedia.org/wiki/ 4 Phần trăm 10,82 1,08 0,091 0,04 0,0028 Ở Việt nam, theo các số liệu khảo sát năm 2002 của Trần Đức Hạ và các cộng sự thuộc ĐHXD, một số chỉ tiêu chính liên quan đến khả năng sử dụng nước biển để cấp nước cho sinh hoạt được nêu trong Bảng 2. Bảng 2. Biển Hòn Gai PH Biển Hải Phòng Biển Đà Nẵng Biển Bắc Mỹ 7,8-8,4 7,5-8,3 7,7 7,5 Cl , g/L 6,5-18 9,0-17,8 0,4-12,1 18 24 0,2-1,2 0,002-1,1 0,2-0,9 1,4 - SO , g/L /Nguồn: Trung tâm Kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp CEETIA, 2002/ Trong 40 năm qua, độ mặn ở các vùng biển nhiệt đới đã gia tăng đáng kể trong khi nước biển ở các vùng cực ngày càng ít muối hơn. Sự thay đổi nồng độ muối trong nước biển trở nên đặc biệt nhanh chóng trong thập kỷ 90, thập kỷ nóng nhất kể từ khi con người bắt đầu lưu trữ dữ liệu thời tiết bài bản. Kết quả này cho thấy thêm một hậu quả đáng kể khác của hiện tượng trái đất nóng lên. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy vòng tuần hoàn nước toàn cầu ngày càng trở nên nhanh chóng và dữ dội, các đại dương tại miền nhiệt đới ngày càng bốc hơi nhiều hơn. Ngoài việc làm thay đổi sự phân bố nước ngọt và sự tạo thành bão trên toàn cầu, vòng tuần hoàn nước quá nhanh và mạnh như vậy sẽ làm trầm trọng thêm sự nóng lên của trái đất, vì bản thân hơi nước cũng là một khí nhà kính. Tình trạng thiếu nước trầm trọng do gia tăng dân số, đô thị hóa và chất lượng cuộc sống trên thế giới ngày càng cao hơn đã khiến nhiều quốc gia (nhất là các vùng khô hạn và bán khô hạn) phải chấp nhận các công nghệ khử mặn, trước hết là để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt. Khử mặn (desalination) là quá trình loại bỏ các muối hòa tan và các chất khác có trong nước biển, nước lợ, hay nước ngầm hoặc nước mặt bị nhiễm mặn. Dựa vào mức độ công nghệ xử lý nước và mục đích xử lý, quá trình khử mặn có thể xử lý được nước đạt chất lượng dùng cho sinh hoạt hay trong công nghiệp hoặc tưới tiêu. Ngành công nghiệp khử nước mặn đã trở thành một ngành thương mại từ những năm 1950 và 1960. Do giảm được nhiều về giá thành và tăng hiệu quả, đặc biệt trong những năm 1970, công việc khử mặn, trong đó, màng lọc chiếm ưu thế trong các công nghệ xử lý nước biển, đã trở thành một chiến lược và là nguồn cung cấp nước đáng tin cậy để đáp ứng những nhu cầu sinh hoạt. Hiện nay ước tính toàn cầu có hơn 12,000 nhà máy xử lý nước biển và nước lợ trên 140 quốc gia trên khắp thể giới, với tổng công suất lên tới 40 triệu m3 trên ngày. Trong đó xử lý nước biển chiếm 57.4%. (WHO, 2008). Công suất khử mặn trên thế giới đạt gần 9,6 tỷ m3, trong đó các nước thuộc Hội đồng Hợp tác Vùng vịnh (GCC) như Ả Rập, Cô oét, Tiểu Vương quốc Ả Rập thống nhất, Bahrain, Qatar và Oman chiếm 47% tổng công suất. Các quốc gia thuộc GCC là một ví dụ điển hình về đô thị hóa nhanh và gia tăng dân số đã làm tăng mạnh nhu cầu nước sinh họat. Tỷ lệ gia tăng dân số trung bình của khu vực (hơn 3,4%) đã làm cho dân số tăng từ 14 triệu năm 1970 lên gần 30 triệu dân năm 2000. Nhu cầu nước sinh hoạt tăng từ 2,6 tỷ m 3 lên gần 4 tỷ m3 trong giai đoạn 1990-2000. Nhu cầu này sẽ tăng lên tới 10,4 tỷ m3 vào năm 2030. Trong xử lý nước cấp cho sinh hoạt từ nguồn nước tự nhiên, những vật liệu lọc như cát, sỏi, … chỉ giúp ta khử bỏ những chất bẩn thô, những hạt huyền phù và một phần nhỏ các hợp chất đã kết tủa như sắt, mangan, còn chất độc hại hòa tan trong nước thì hầu như không lọc được. Sau này, xuất hiện những chất liệu khác như gốm, than hoạt tính (tốt nhất là than dừa), chất liệu nhựa polypropylene, nhựa trao đổi ion... đã giúp cho việc lọc nước khá hơn nhiều. Tuy nhiên, nó mới chỉ dừng ở mức độ giữ lại các hạt chất bẩn có kích thước nhỏ, riêng vi sinh vật thì không được lọc tốt. Do những hạn chế của các vật liệu lọc trên, đã xuất hiện các phương pháp xử lý nước bằng màng lọc. Kỹ thuật màng là một trong những quá trình khá mới được phát triển và ứng dụng trong công nghệ xử lý nước, nước thải trong gần 30 năm trở lại đây. Đó là phương pháp có nhiều ưu điểm về phương diện kỹ thuật, quy mô sản xuất và giá thành hoạt động. Phạm vi áp dụng của kỹ thuật màng khá rộng, bao quát gần như tất cả các khả năng loại bỏ tạp chất: chất huyền phù, chất keo, chất cơ nhũ, chất hữu cơ tan, các ion có kích thước nhỏ (Na+ chẳng hạn). Màng hoạt động như một hàng rào chắn đối với dòng chảy của một hỗn hợp 5 gồm chất lỏng và các cấu tử trong đó. Màng có tính thấm chọn lọc khác nhau đối với các cấu tử khác nhau. Phương pháp thẩm thấu ngược RO đầu tiên được ứng dụng ở Mỹ để sản xuất nước tinh khiết. Nước tinh khiết RO hoàn toàn không có vi trùng nhưng đồng thời cũng không có các khoáng chất, nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể con người. Các thử nghiệm cho thấy các màng lọc thẩm thấu ngược có thể khử bỏ tới 99% tất cả các chất tan, nhưng nồng độ các chất dinh dưỡng cần thiết, như các ion canxi và magie đã giảm xuống mức thấp hơn các tiêu chuẩn kỹ thuật của WHO (Tổ chức Y tế Thế giới) về nước uống. Vì vậy, sản phẩm nước đã qua xử lý cần được bổ sung thêm các chất dinh dưỡng nói trên để có thể cung cấp nguồn nước uống đạt chất lượng theo yêu cầu. Trong hơn 30 năm qua các nước thuộc GCC đã tiến hành xây dựng và mở rộng các nhà máy khử mặn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng lên. Hiện nay, có 6 quốc gia đã xây dựng được 36 nhà máy lớn để khử mặn nước biển và nước lợ: 21 nhà máy nằm trên bờ biển Đỏ và 15 trên vùng vịnh. Sản lượng chung của các nhà máy khử mặn ở các quốc gia thuộc GCC tăng từ 1,5 tỷ m3 trong năm 1990 lên 2,7 tỷ m3 năm 2000, do các nhà máy đã được bổ sung và mở rộng. Năm 2001 chỉ riêng công suất của một nhà máy ở Ả rập Saudi đã đạt hơn 1 tỷ m3, đây là nhà máy khử mặn lớn nhất thế giới. Hơn 85% các nhà máy khử mặn thuộc GCC sử dụng các hệ thống chưng cất nhanh nhiều tầng (MSF). Các hệ thống này có hai tác dụng, vừa có thể sản xuất nước và điện. Phần lớn các nhà máy còn lại dựa trên công nghệ sử dụng các màng lọc thẩm thấu ngược (RO). Với công nghệ thẩm thấu ngược RO, 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 (chi phí xử lý 1m3 nước biển thành nước uống từ 5 -10 USD) do cần phải có: - Vật liệu chế tạo chịu được áp suất cao - Bơm tạo được áp suất cao - Chi phí điện năng cao - Màng lọc phải thay thể thường xuyên do tắc nghẽn Do đó, nhu cầu cấp thiết là phải giảm được áp lực cần cung cấp trong xử lý bằng RO. Việc áp dụng màng lọc nano được nghiên cứu rộng rãi với mục tiêu trên và đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng tại các nước như Mỹ, Nhật. Hiện nay theo xu thế phát triển công nghệ mới, công nghệ Nano cũng đang được ứng dụng vào trong lĩnh vực xử lý nước. Các nhà khoa học đề xuất công nghệ nanô làm giải pháp để giải quyết vấn đề nước sạch. Nano carbon là những ống nguyên tử carbon tí hon, có đường kính chỉ vài phần tỷ mét, nhỏ hơn sợi tóc 100.000 lần, nhẹ hơn thép đến 6 lần nhưng lại bền hơn vật liệu này đến 100 lần. Nano carbon được biết với nhiều tính chất đặc biệt như siêu cứng, siêu bền, nhẹ nhưng khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Màng lọc nano (nanofilter, hyperfilter - NF) là loại màng có kích thước lỗ nhỏ (10 -7 cm = 10Ao). Phân tử lượng bị chặn từ 200-500. Loại màng này thích hợp cho quá trình làm mềm nước, loại bỏ một số chất hữu cơ tan, các ion natri, chì, sắt, niken, thủy ngân (II), các vi khuẩn gây bệnh,....và cho các ion (I) đi qua. 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 150 μm, lớp da màng 1 μm. Đặc tính màng là: kích thước lỗ xốp <2nm; áp suất động lực từ 15 đến 25 bar, tốc độ lọc > 0,05m 3.m2 .ngày-1.bar-1. Cơ chế hoạt động của màng là hòa tan và khuếch tán. Vật liệu chế tạo màng là polome. Màng lọc nano được ứng dụng để xử lý nước lợ, làm mềm nước, loại bỏ chất hữu cơ, sản xuất nước siêu tinh khiết,…mà không nhờ các phản ứng hóa học. Cũng nhờ có kích thước lỗ lọc cực nhỏ nên màng Nano có thể loại bỏ các tạp chất, hầu như chỉ cho nước đi qua Các phương pháp lọc màng sẽ giữ lại được các chất ô nhiễm trong nước tự nhiên.. Sơ đồ vận chuyển các chất trong nước biển qua hệ thống màng lọc nêu trên Hình 1. Các công nghệ xử lý nước thông thường bao gồm các bước lọc, bức xạ tử ngoại, xử lý hóa học và khử muối, trong đó công nghệ nano được đưa vào ứng dụng ở nhiều loại màng lọc và bộ lọc dựa trên cơ sở ống nano cacbon, gốm xốp nano, các hạt nano từ tính và các vật liệu nano khác. Các loại màng tách rời với cấu trúc ở phạm vi nano cũng có thể được ứng dụng ở các phương pháp chi phí thấp nhằm cung cấp nước 6 uống. Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Nước ion hóa trị I Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Vi lọc (MF) Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Siêu lọc (MF) Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Lọc nano (NF) Thẩm thấu ngược (RO) Nước lửng ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ Hình 1:Sơ đồ vận chuyển các chất trong nước qua màng lọc Những ưu điểm của màng lọc nano: - Chí phí vận hành thấp - Chi phí năng lượng thấp - Lượng thải sau xử lý ít (so với RO) - Giảm lượng TDS, đặc biệt hiệu quả đối với nước lợ - Loại bỏ các chất bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, các hóa chất hữu cơ - Loại bỏ kim loại nặng, nitơrat và sunfat - Loại bỏ mầu, độ đục, làm mềm nước cứng - Không cần bất cứ hóa chất nào trong quá trình xử lý So với các màng vi lọc, siêu lọc và thẩm thấu ngược, màng lọc nano có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu về chất lượng xử lý nước. Nhờ có hiệu ứng điện tích bề mặt, màng lọc nanô có khả năng bắt giữ các ion hóa trị cao trong khi các ion hóa trị I bị giữ lại không đáng kể, dẫn đến kết quả khác biệt về nồng độ giữa nước đầu vào và nước đi qua màng. Với những đặc tính ưu việt như áp suất hoạt động thấp, tốc độ lọc cao, khả năng bắt giữ chọn lọc các ion và hợp chất hữu cơ, chi phí vận hành và bảo dưỡng tương đối thấp, công nghệ lọc nanô đang thực sự trở thành giải pháp hữu hiệu nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải, đặc biệt là nước có độ cứng, asen, sunphat,... Cuối thế kỷ 20, công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, giúp tạo ra các vật liệu có các hạt hay màng có kích thước vài nanô. Dựa vào khả năng lọc nước của các vật liệu nano, người ta đã chế tạo các máy lọc tinh, lọc được các hạt bẩn nhỏ vài nano, trong đó có các vi khuẩn nhỏ. Ngoài ra trong nước vẫn giữ nguyên những chất khoáng và các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể. Đây là một trong những ưu việt do bản chất của vật liệu nano mới có mà các chất liệu lọc khác không có được. Ứng dụng màng lọc để sản xuất nước ăn uống bắt đầu từ Mỹ và các nước Trung Đông. Hiện nay sử dụng màng lọc để làm ngọt hóa nước biển đã phát triển rộng khắp ở nhiều nơi trên Thế giới. Theo J.C. Schipers, 2000, trên toàn thế giới có 9.10 6 m3 nước ăn uống/ngày được xử lý bằng phương pháp RO và 10 6 m3 nước ăn uống/ngày bằng phương pháp NF và UF, tương đương công suất màng 2.10 7, 2.106 và 4.105 m2. So sánh 7 thông số thiết kế và làm việc của RO và NF nêu trong Bảng 3. Bảng 3: Thông số so sánh Kích cỡ màng lọc (micron) Kíck cỡ của virus Kích cỡ vi khuẩn Loại bỏ được vi khuẩn và virus Mức TDS giảm (%) Mức giảm pH sau xử lý RO 0.0001 đển 0.001 0.005-0.01 0.2-10 Được 99% Hơn 2 NF 0.0008 đến 0.001 Được 70% Nhỏ hơn 1 Màng lọc NF tuy có nguyên tắc lọc giống như RO, nhưng vì kích thước màng lọc to hơn RO, nên thông thường chỉ giữ lại ion hóa trị hai, còn ion hóa trị một như Na + hay Cl- thì đi qua được màng lọc. Với đặc tính thế, NF vốn không có hiệu quá cao trong khử mặn với nước biển. Màng NF có kích thước lỗ biểu kiến lớn hơn kích thước ion Na+ và Cl-. Để có thể ứng dụng NF vào quá trình xử lý nước biển thành nước ăn uống, Twardowski (U.S.Pat. No5,587,083) đã sử dụng màng NF tích điện âm tăng cường loại ion hoá trị 2 và Cl-. Lin sử dụng tổ hợp NF(250-350 psi) – RO (áp suất tương đương) để loại Cl- và Br-, lọc được chủ yếu ion hoá trị 2; nước sau NF còn 10-15 g/L muối (U.S. Pat. No.5,458,781). Diem Xuan vuong, 2006, (U.S. Pat. No.7,144,511) dùng NF hai bậc: lọc NF1 (màng FSM135) ở 500-550 psi (hiệu suất khoảng 35%) và lọc NF2 (màng SSM 160) ở áp suất 200-300 psi (hiệu suất khoảng 79%) để xử lý nước biển; tổng hiệu suất của hai giai đoạn là 28%, sản phẩm có hàm lượng muối là 200-1.000 mg/L. Hiện nay người ta cũng đã chế tạo được một số màng NF đặc biệt (high performance nano filtration) có khả năng giữ lại đến 90% các ion hóa trị 2 và gần 90% ion hóa trị 1, bằng nguyên lý làm việc dựa trên khối lượng phân tử và điện hóa. Các màng NF đặc biệt này hiện có mặt trên thị trường, do các công ty TORAY Industry Inc.(Nhật bản), DOOSAN HYRO Techno (Hàn Quốc) và Dowfirm tech (Mỹ) phát triển và sản xuất. Để đáp ứng nhu cầu về nước sạch, các nhà thiết kế công nghệ cần tìm ra giải pháp khắc phục ô nhiễm bằng các ứng dụng công nghệ tách màng lỏng. Trong quá trình khử muối và xử lý nước thải, sự thay đổi các nguồn nước yêu cầu phải giải quyết các vấn đề ô nhiễm để kéo dài tuổi thọ các màng trong từng ứng dụng đặc biệt. Các công ty hàng đầu đang nghiên cứu những giải pháp cải thiện trạng thái thay đổi liên tục của màng trong những lò phản ứng sinh học màng. Ví dụ, thiết bị PermaCare MPE50 đã chứng minh giảm được ô nhiễm và cải thiện dòng chảy từ 30-100% trong ứng dụng công nghiệp và ứng dụng xử lý nước thải đô thị. Các nhà khoa học châu Âu đã phát minh ra công nghệ tách màng - lọc nano dung môi hữu cơ (OSN) – linh hoạt, chi phí hiệu quả và đưa ra quy trình xử lý thân thiện với môi trường nhằm giảm thiểu chất thải và thu lại chất xúc tác trong các ngành công nghiệp hoá chất và công nghiệp dược. Những tiến bộ này sẽ trợ giúp nhiều cho việc tiếp thu công nghệ, cụ thể từ quá trình khử muối và xử lý nước thải trở thành các thị trường lớn và đang mở rộng. Thị trường này có thể góp phần quan trọng vào việc tăng nguồn nước ngọt đang bị hạn chế và sự phân bố các nguồn nước ngọt không đồng đều. Trong điều kiện sức ép về nguồn nước, những tiến bộ của công nghệ màng đã làm giảm mức tiêu thụ năng lượng xuống 20 – 30% trong 10 năm qua và góp phần khuyến khích sử dụng các công nghệ tách màng. Những tiến bộ trong Công nghệ tách màng là nhiệm vụ của nghiên cứu, bao gồm các thị trường như: xử lý nước cấp, nước thải, những ứng dụng y học và các lĩnh vực có liên quan, xử lý công nghiệp, ứng dụng hoá chất và hoá dầu, ứng dụng năng lượng và môi trường. Các màng lọc nano và siêu lọc được do trường Đại học Nottingham sử dụng để xử lý nước biển thành nước ngọt. Trong các nghiên cứu này giáo sư Nidal Hilal dùng vi sinh cùng với các kỹ thuật lọc màng mỏng gần đây nhất để cải thiện và tinh chỉnh công nghệ làm sạch nước biển. Bằng cách xử lí sơ bộ nước biển và loại bỏ tạp chất, các màng lọc giảm thiểu chất bẩn cho máy trong giai đoạn xử lí tiếp theo – dù thẩm thấu ngược hay khử muối bằng nhiệt (nước biển được đun bốc hơi). Phương pháp này có thể ngăn ngừa những thiệt hại cho máy móc, giảm thiểu những chi phí đắt đỏ cho việc sửa chữa và thay thế các thiết bị máy móc. 8 Các màng lọc nano và siêu lọc cũng đang được ứng dụng trong công trình được tài trợ bởi Trung tâm Nghiên cứu khử muối trong nước Trung Đông, một cơ quan đang nghiên cứu các công nghệ điều chế nước uống từ nước biển. Bằng công đoạn tiền xử lý nước biển và khử bỏ các chất ô nhiễm, màng lọc giảm được chất bẩn của thiết bị ở khâu tiếp theo của quy trình, thông qua hoặc là quá trình thẩm thấu ngược, hoặc là khử muối bằng nhiệt. Việc này có thể ngăn ngừa hư hỏng thiết bị, giảm nhu cầu sửa chữa và thay thế tốn kém. Phương pháp màng siêu lọc Công ty General Electric (GE) chuyên sản xuất các thiết bị điện dân dụng cũng nhảy vào thị trường xử lý nước. Năm 2006 GE mua lại một cơ sở sản xuất màng siêu lọc sợi rỗng từ một công ty của Canađa có trị giá 0,689 tỉ USD. Loại màng này được áp dụng để xử lý nước dùng cho công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Giáo sư Kamalesh Sirkar thuộc Viện Công nghệ New Jersey (NJIT), chuyên gia trong công nghệ phân tách màng, từ năm 1992 nghiên cứu phát triển một phương pháp mới khử mặn trong nước biển nhờ màng lọc nano. Quy trình của Kamalesh Sirkar đặc biệt đạt hiệu quả cao đối với nước biển có nồng độ muối trên 5,5%. Nhật bản, cùng với Mỹ là hai nước hàng đầu trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ màng trong xử lý nước nói chung và nước biển nói riêng. Trong đó, công ty TORAY là công ty tiên phong sản xuất màng lọc trong xử lý nước và nước thải. Năm 1958, TORAY lần đầu tiên đưa ra dây chuyền xử lý nước biển bằng công nghệ RO. Màng lọc RO do TORAY sản xuất và đưa ra thị trường lần đầu tiên vào năm 1967. Màng RO khi đó được chế tạo bằng vật liệu cenllulos acetate. Màng lọc Nano bắt đầu được nghiên cứu vào đầu những năm 1980. Hiện nay màng lọc RO và NF được chế tao từ vật liệu polyamide composite. Khoa kỹ thuật môi trường, thuộc trường đại học Tokyo, là một cơ sở nghiên cứu hàng đầu thế giới về công nghệ màng trong xử lý nước thải, nước cấp cho sinh hoạt (phòng thí nghiệm của giáo sư Yamamoto Kazuo), hay trong xử lý nước cấp và nước biển (giáo sư Ohgaki Shinichiro và giáo sư Takizawa Satoshi). Vào đầu những năm 2000, họ lần đầu tiên đưa ra công nghệ xử lý nước biển bằng màng nano hai bậc. Với công nghệ này, áp lực cần thiết thấp hơn rất nhiều so với công nghệ RO, và nước được xử lý có thể đạt chất lượng đạt tiêu chuẩn cấp cho sinh hoạt. Nhiều tổ chức đang cân nhắc tiềm năng của khoa học nano để giải quyết các thách thức về kỹ thuật liên quan đến việc khử các chất ô nhiễm và cung cấp nguồn nước “có thể uống được” cho dân chúng sống tại các nước phát triển và đang phát triển. Nhiều thiết bị xử lý nước, trong đó một số có kết hợp công nghệ nano đã có mặt trên thị trường và một số khác đang trong giai đoạn phát triển. Công nghệ nano phục vụ cho xử lý nước đã có mặt trên thị trường, với các loại màng lọc nano hiện đang ở vào giai đoạn hoàn thiện nhất, và nhiều loại khác hiện đang được triển khai. Mặc dù thế hệ thiết bị lọc nano hiện nay có thể còn tương đối đơn giản, nhiều nhà nghiên cứu tin tưởng rằng các thế hệ thiết bị xử lý nước tương lai sẽ lợi dụng được nhiều đặc tính mới của vật liệu nano và có thể là mối quan tâm của các nước đang phát triển lẫn nước phát triển. Trong nước: Nước ngọt là một nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống con người. Việc cung cấp đầy đủ nước sạch đảm bảo yêu cầu về chất lượng và số lượng luôn luôn là thách thức đối với các nước đang phát triển. Theo Ban chỉ đạo Quốc gia về cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường: Nhu cầu dùng nước trong quá trình phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đang tăng mạnh. Theo ước tính năm 1990, lượng nước cần dùng khoảng 65 tỷ m3, tăng lên hơn 92 tỷ m3 vào năm 2000, dự báo đến năm 2010 tăng lên đến 130 tỷ m 3. Mức 130 tỷ m3 này gần tương đương với nguồn nước vào mùa khô trên các lưu vực sông của cả nước. Như vậy, việc thiếu nước ngọt đã rất rõ ràng. Nước sử dụng trong sinh hoạt chiếm tỷ lệ khoảng 2% so với tổng nhu cầu. Nếu đối chiếu với tiêu chuẩn thiếu nước của Tổ chức Khí tượng thế giới và của UNESCO, đến năm 2010, nhiều vùng ở Việt Nam thiếu nước ở mức từ trung bình đến gay gắt, đặc biệt trong các tháng mùa khô. Bên cạnh đó chiến lược quốc gia về cấp nước sạnh và vệ sinh nông thôn theo quyết định của thủ tướng chính phủ 104 QĐ/TTG ngày 25/08 năm 2000 đặt ra mục tiêu đến 2020 là “tất cả dân cư nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng ít nhất 60 lít/người/ngày”. Đây là nhiệm vụ nặng nề và khó khăn đối với một nước đang phát triển như Việt nam. 9 Hiện nay, dân số nước ta đã vượt qua con số 80 triệu người. Mức bảo đảm nước cho mỗi người dân trong một năm đã từ 12.500 m3/người vào năm 1990 giảm còn 10.160 m3/người vào năm 2000. Tổng lượng nước cần dùng trong cả nước năm 1990 bằng khoảng 64,8 tỷ m3. Dự tính lên tới 121,5 tỷ m3 vào năm 2010. Tài nguyên nước mặt phân bố không đều trong lãnh thổ và biến đổi mạnh theo thời gian, do đó tình trạng thiếu nước ngọt đã và đang xảy ra ở nhiều nơi, nhất là vùng núi cao phía Bắc và đồng bằng ven biển. Tình trạng này sẽ trầm trọng hơn vào thế kỷ tới khi lượng nước cần dùng tăng lên mạnh mẽ. Khai thác, sử dụng nước dưới đất không hợp lý đã gây ra sụt lún đất, hạ thấp mực nước ngầm ở một số nơi, nhiễm mặn khá phổ biến ở nhiều vùng ven biển, ảnh hưởng tới tầng chứa nước ngọt. Ðể giải quyết tình trạng này, Mục tiêu của Chiến lược Quốc gia về tài nguyên nước định hướng hoạt động phát triển và quản lý tài nguyên nước cho một giai đoạn theo quan điểm của Nhà nước về phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường nhằm tạo bước chuyển đổi cơ bản cho hoạt động quản lý, bảo vệ và phát triển tài nguyên nước. Với trên 3.260 km đường biển, Việt Nam có tiềm năng lớn về kinh tế biển. Dân số các tỉnh ven biển rất đông, chiếm khoảng 60% dân số cả nước lại sống chủ yếu dựa vào khai thác trực tiếp tài nguyên biển. Vùng ven biển và hải đảo nước ta có 115 huyện thị với gần 18 triệu người sinh sống chủ yếu là nghề cá, kết hợp với các nghề truyền thống khác như làm muối, vận tải ven bờ, dịch vụ du lịch, nông nghiệp, một vài vùng có nghề thủ công như làm chiếu, đan lát... Trong những năm gần đây, với chiến lược phát triển đất nước theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế, sự xây dựng công trình và khai thác tài nguyên ven biển rất sôi động. Trong Chiến lược Biển Việt Nam đến năm 2020, phải phấn đấu để nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế - xã hội với đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả nước. Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án tổng thể về điều tra cơ bản và quản lý tài nguyên môi trường biển đến năm 2010, tầm nhìn đến năm 2020” (số 47/2006/QĐ-TTg, ngày 1-3-2006) nhằm đạt những mục tiêu cơ bản như: đẩy mạnh công tác điều tra cơ bản các điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và môi trường biển Việt Nam, xác lập luận cứ khoa học, cơ sở pháp lý để tăng cường quản lý nhà nước, phát huy tiềm năng, lợi thế và phục vụ cho việc phát triển bền vững các vùng biển, ven biển và hải đảo của nước ta... Biến đổi khí hậu sẽ mang lại nhiều rủi ro thiên tai cho Việt Nam, chủ yếu là thay đổi về lượng mưa và giông bão. Mực nước biển dâng cao là yếu tố liên quan trực tiếp đến vấn đề nước sạch và vệ sinh môi trường trong nông nghiệp và nông thôn ở nước ta, làm tăng rủi ro lũ lụt cho các vùng đất trũng ven biển. Biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ ảnh hưởng rõ rệt đến cuộc sống của nhân dân (cả nông thôn và thành thị) và hệ sinh thái ven biển. Biến đổi khí hậu được xem là một vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến tất cả các chính sách, kế hoạch và hành động của nước ta trong những năm tới. 70% dân cư sinh sống gần vùng ven bờ hiện đang đối mặt với các đe dọa không dự báo được của mực nước biển dâng cao và các thiên tai khác. Biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng cao có thể làm tăng các vùng ngập lụt, làm cản trở hệ thống tiêu thoát nước, làm tăng thêm cường độ xói lở tại các vùng ven bờ và nhiễm mặn, dẫn đến gây khó khăn cho hoạt động nông nghiệp và cung cấp nước sinh hoạt... Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới (WB) và ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), mực nước biển dâng cao 1m sẽ có khả năng gây ra “khủng hoảng sinh thái”, ảnh hưởng tới gần 12% diện tích và 11% dân số Việt Nam. Ngoài ra, một số cảng lớn, thành phố và vùng dân cư ven biển có thể bị ngập một phần, việc cung cấp nước sinh hoạt cho nhân dân, các hoạt động thương mại, du lịch cũng sẽ bị ảnh hưởng. Báo cáo nghiên cứu mới nhất về tác động của biến đổi khí hậu ở khu vực Đông Nam Á của Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB) công bố ngày 28/4/2009 tại Hà Nội cho rằng sản xuất lúa gạo ở Việt Nam có thể giảm mạnh và mực nước biển tăng có thể nhấn chìm hàng chục ngàn hécta đất canh tác vào cuối thế kỷ này, đồng thời khiến cho hàng ngàn gia đình sống ven biển phải tái định cư. Lượng mưa có thể giảm đáng kể ở Việt Nam trong thập kỷ tới và hơn 12 triệu người sẽ phải chịu tác động của tình trạng thiếu nước ngày càng gia tăng. 10 Chương trình Biển Đông, hải đảo và đánh bắt xa bờ của Nhà nước cũng đã đề cập đến những nội dung cung cấp nước sinh hoạt cho nhân dân vùng ven biển, hải đảo cũng như tàu thuyền hoạt động đánh bắt hải sản trên biển. Các phương tiện và thiết bị xử lý nước biển thành nước ngọt phải được nghiên cứu và trang bị cho các cụm dân cư hải đảo, ven biển cũng như tàu thuyền hoạt động xa bờ. Từ những yếu tố trên, cần thiết phải tìm một nguồn tài nguyên nước ổn định để cấp nước sinh hoạt cho nhân dân vùng ven biển và hải đảo. Nguồn tài nguyên ổn định và phong phú nhất vẫn là nước biển. Tìm kiếm công nghệ và triển khai lắp đặt các công trình, thiết bị xử lý nước biển và nước lợ để cung cấp nước cho các cụm dân cư, đô thị,… ven biển và hải đảo là một nhiệm vụ cấp bách và cần thiết, đặc biệt là trong tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay. Năm 2006-2008, PGS.TS Nguyễn Văn Tín chủ trì đề tài NCKH trọng điểm cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo “Nghiên cứu mô hình cấp nước cho các khu dân cư ven biển và hải đảo” (mã số B2006-03-12TĐ). Tuy nhiên nguồn nước thô là nước ngầm, nước mặt và nước mưa vùng ven biển ít bị nhiễm mặn nên các mô hình đề xuất có công nghệ xử lý nước truyền thống. Tại Việt nam các công trình nghiên cứu về khử mặn nước biển, chế tạo vật liệu nano và thiết bị xử lý nước có màng lọc nano cũng đã bắt đầu từ cuối những năm 1990. Công nghệ cất nước biển bằng năng lượng mặt trời đang được Viện Hoá học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam) nghiên cứu ứng dụng, với giá thành khoảng 1 triệu đồng/m3 công suất khi đưa vào sử dụng đại trà. Hiện công nghệ này đang được lắp đặt ứng dụng thử nghiệm tại Bến Tre và Thừa Thiên-Huế. Một hệ được đặt tại ngư trường Bình Đại đã cung cấp từ 120-150 lít nước sạch mỗi ngày cho đội công nhân 8 người. Hệ còn lại, nhỏ hơn, được lắp đắt tại một hộ gia đình ở thị xã Bến Tre đã mang lại hiệu quả cao. Năm 2003, Trung tâm tư vấn và chuyển giao công nghệ nước sạch và môi trường (CTC) nghiên cứu thiết kế và lắp đặt tại đảo Bạch Long Vĩ. Dây chuyền gồm 5 thiết bị xử lý nước biển qua 5 công đoạn khác nhau với tỷ lệ nội địa hóa 70%. Nước biển được bơm qua thiết bị đầu tiên sẽ được lọc sạch rong, rêu, tảo bằng một màng lọc có kích thước lỗ 50 micromet. Sau đó, thiết bị lọc đa năng (multimedia) sẽ lọc sạch các chất có kích thước lớn hơn 20 micromet. Sang thiết bị thứ ba, Ca, Mg, Br... được loại ra khỏi nước biển dưới dạng muối carbonat bằng phương pháp trao đổi cation. Thiết bị lọc thứ tư tiếp tục loại các chất có kích thước lớn hơn 5 micrometres ra khỏi nước biển. Và đến thiết bị cuối cùng sử dụng màng lọc RO có kết cấu đặc biệt. Quá trình thẩm thấu ngược diễn ra tại đây khi nước biển (sau khi đã qua các công đoạn tiền xử lý trước đó) được bơm áp suất cao tới 70 atm qua hệ thống màng lọc này. Kết thúc quá trình thẩm thấu ngược, sẽ thu được một lượng nước ngọt bằng 36% lượng nước biển lọc qua dây chuyền. Với dây chuyền này, nước ngọt sản xuất theo công nghệ RO có giá khoảng 20.000 đồng/m3. Nguyễn Bá Thắng, năm 2005, trong đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên cứu mô hình quy hoạch và quản lý hiệu quả hệ thống cấp nước đô thị Việt Nam đến năm 2020” đã sử dụng bộ lọc màng UF lắp đặt sau các công đoạn xử lý nước ngầm truyền thống của trạm cấp nước trường Cao đẳng xây dựng công trình đô thị để nghiên cứu cấp nước uống trực tiếp. Năm 2005, Viện Khoa học công nghệ nhiệt lạnh (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) vừa nghiên cứu thành công quy trình chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời. Theo hình thức bay hơi cưỡng bức mỗi mét vuông vật liệu hấp thụ nhiệt của máy có thể tạo ra được 15 – 20 L nước ngọt/ngày, tuy nhiên, năng suất hiện ở mức 12 – 13 L/ngày. Ngày 02/6 /2008, Viện Khoa học vật liệu ứng dụng, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã bàn giao và đưa vào vận hành thiết bị xử lý nước biển thành nước ngọt đáp ứng tiêu chuẩn Bộ Y tế về nước sinh hoạt công suất 300 lít nước ngọt/h cho ngư dân Đà Nẵng. Thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý thẩm thấu ngược RO, với màng lọc của Mỹ. Dưới áp lực phù hợp, nước biển sẽ được tách thành phần nước ngọt sạch và hàm lượng hoà tan thấp thẩm thấu qua màng. Nước có hàm lượng hoà tan cao (nước mặn) sẽ được dẫn ra ngoài. Tiếp đó, nước ngọt sẽ được dẫn qua hệ thống lọc, tia cực tím UV...dưới áp lực cao, nước ngọt sẽ được đưa qua màng vào bồn chứa và sử dụng. Toàn bộ thời gian xử lý trong vòng 2 phút. Đề tài "Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu lọc nanô từ axetat xenlulo và ứng dụng lọc nanô trong quy trình xử lý nước sinh hoạt bị ô nhiễm" do Tiến sỹ Nguyễn Hoài Châu và tập thể các nhà khoa học Viện Công nghệ môi trường (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam) thực hiện trong năm 2007. Đề tài thiết kế chế tạo một thiết bị lọc nanô công suất 100 lít nước/h, có khả năng xử lý các nguồn nước sinh hoạt, nước 11 thải bị ô nhiễm asen có độ cứng cao hơn mức cho phép 4 - 5 lần và xử lý nước thải có COD lớn hơn 5000 mg/L. Kết quả nghiên cứu cho thấy, màng lọc nanô có khả năng tách Albumin và khả năng bắt giữ chọn lọc đối với các chất điện ly có hóa trị khác nhau như NaCl, Na 2SO4 và MgCl2...tương đương với màng Osmonics của Mỹ. Vật liệu màng được chọn sử dụng ở đây là Axentat xenlulo, một sản phẩm có thể dễ dàng đặt mua trong nước. Đáng chú ý, với khả năng tách muối ăn nồng độ cao trở thành nước sinh hoạt bình thường của màng lọc nanô có thể ứng dụng để lọc nước biển làm nước ăn tại những nơi thiếu nước ngọt. Ưu điểm lớn nhất của lọc nanô là, với công nghệ này người ta không phải đưa thêm một loại hóa chất nào, vi sinh nào vào nước mà vẫn lấy đi được những tạp chất bẩn. Công nghệ này có thể xử lý các nguồn nước có độ cứng toàn phần và COD cao cũng như đối với nước có màu và nước nhiễm phèn chua mặn. Hiện nay, thâm nhập vào thị trường Việt Nam là hai dòng sản phẩm máy lọc nước nanô công nghệ của Nga và sản suất tại Nga. Máy lọc nước Magistr dùng chất liệu hạt nanô USVR không những lọc các chất kim loại nặng, khử khuẩn, mà có các máy chuyên dụng khử asen (thạch tín) rất tốt ngay cả khi nguồn nước sinh hoạt nhiễm asen ở nồng độ đạt tới 0,2-0,25 mg một lít. Dòng máy lọc nước Duet, Solo sử dụng loại chất liệu nanô màng AquaVallis với tốc độ lọc 120-500 lít mỗi giờ. Các máy lọc nước này không chỉ lọc các chất bẩn vô cơ, hữu cơ mà nó còn có khả năng lọc nước bị nhiễm bẩn vi sinh ở mức cao đạt sạch 100% vô trùng. Những dòng máy này do Công ty Sunny-Eco (Công nghệ Sinh thái Ánh Dương) ở Hà Nội nhập khẩu. 15.2. Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của Đề tài Mục tiêu của Chiến lược Quốc gia về tài nguyên nước định hướng hoạt động phát triển và quản lý tài nguyên nước cho một giai đoạn theo quan điểm của Nhà nước về phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường nhằm tạo bước chuyển đổi cơ bản cho hoạt động quản lý, bảo vệ và phát triển tài nguyên nước. Những phân tích ở 15.1 cho thấy, cần thiết phải tìm một nguồn tài nguyên nước ổn định để cấp nước sinh hoạt cho nhân dân vùng ven biển và hải đảo. Nguồn tài nguyên ổn định và phong phú nhất vẫn là nước biển. Tìm kiếm công nghệ và triển khai lắp đặt các công trình, thiết bị xử lý nước biển và nước lợ để cung cấp nước cho các cụm dân cư, đô thị,…ven biển và hải đảo là một nhiệm vụ cấp bách và cần thiết, đặc biệt là trong tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay. Mặc dù đã có một số nghiên cứu ứng dụng lọc màng để xử lý nước biển thành nước sinh hoạt, nhưng các nghiên cứu này dừng ở mức thử nghiệm và quy mô nhỏ. Mặt khác các thiết bị ngọt hóa nước biển hiện nay triển khai ở Việt Nam dựa trên nguyên tắc chưng cất hoặc màng lọc thẩm thấu ngược (RO). Các phương pháp chưng cất khó triển khai vì thiết bị cồng kềnh và phụ thuộc điều kiện thời tiết; phương pháp RO tốn kém về năng lượng và tuổi thọ màng không cao. Mặt khác nước sản phẩm từ các quá trình xử lý này quá tinh khiết, không có được những khoáng chất cần thiết cho cơ thể sống. Các phương pháp lọc màng sẽ giữ lại được các chất ô nhiễm trong nước tự nhiên. Màng lọc nano sẽ giữ lại được các phần tử kích thước 10-5 đến 10-7 mm, đó là một số chất hữu cơ tan, các ion natri, chì, sắt, niken, thủy ngân (II), các vi khuẩn gây bệnh,.. và cho các ion (I) đi qua. Xét về khía cạnh kinh tế (giá thành màng lọc và áp suất động học tạo trên thành màng), thứ tự sắp xếp các loại màng lọc như sau: - Giá thành màng: RO > NF > UF > MF - Áp suất động học: RO > NF > UF > MF Các phương pháp siêu lọc (UF) và vi lọc (MF) không thể giữ lại được các phần tử ô nhiễm trong nước cũng như các thành phần muối của nước biển. Như vậy xử lý nước biển bằng phương pháp NF để được nước ăn uống theo quy định của Bộ Y tế theo Quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT, có chi phí đầu tư cũng như vận hành thấp hơn so với phương pháp RO. Một ưu điểm của màng nano là có thể xả rửa chống hiện tượng tắc nghẽn nên có độ bền từ 3 đến 5 năm.Trong công nghệ ngọt hóa nước biển để cấp nước sinh hoạt, trước tiên màng NF đựợc nghiên cứu áp dụng để xử lý sơ bộ nước biển nhằm giảm độ mặn, và sau đó được xử lý bằng công nghệ RO. Công nghệ kết hợp màng NF và RO này đã bắt đầu được áp dụng trong thực tế tại một số nước tiên tiến. Ưu điểm của 12 công nghệ kết hợp NF/RO như sau: - Sử dụng NF để xử lý sơ bộ nước biển hạn chế việc tắc màng lọc RO - Sử dụng NF để xử lý sơ bộ nước biển, hạn chế việc bám cặn trên màng lọc RO - Sử dụng NF để xử lý sơ bộ nước biển giúp loại bỏ 40 – 70% hàm lượng TDS, giúp giảm đáng kể áp lực cần cung cấp cho hệ thống mang RO sau đó. Hiện nay, công nghệ nano phát triển mạnh, trong đó Mỹ và Nhật Bản là các quốc gia được cho là “hùng mạnh” về công nghệ nano của thế giới. Ở Việt Nam, Viện Nghiên cứu Khoa học Vật liệu đã chế tạo thành công và chào bán vật liệu nano (nano carbon tube - NCT), giá bán chỉ bằng 50% so giá của nước ngoài (0,6USD/g). Khu công nghệ cao TP.HCM cũng sản xuất 2,4 tấn NCT trong năm 2008. Nghiên cứu vật liệu ống nano carbon (CNT) có nhiều triển vọng cả trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Màng lọc nano thị trường cũng đã được nhập vào Việt Nam. Các thiết bị xử lý nước bằng màng lọc nano có thể chế tạo tại Việt Nam. Thời gian hoạt động của màng lọc nano phụ thuộc rõ rệt vào thành phần tính chất nước nguồn, nhiệt độ và pH môi trường, áp suất vận hành,… Các khâu xử lý trước NF rất quan trọng đảm bảo cho chất lượng nước đầu ra cũng như tuổi thọ của màng. Vì vậy lựa chọn các công trình tiền xử lý trước NF đóng vai trò quan trọng trong việc triển khai ứng dụng nó để xử lý nước ăn uống. Nước ta có đường bờ biển dài và nhiều hải đảo. Thành phần và tính chất nước biển ven bờ không ổn định, phụ thuộc vào các yếu tố khí hậu, thời tiết, dòng chảy sông và các hoạt động kinh tế xã hội khác ở đất liền. Sự biến đổi khí hậu làm nước biển dâng cũng là yếu tố tác động làm thay đổi chất lượng nước ven biển. Vì vậy công nghệ tiền xử lý trước NF cũng phải phù hợp với từng loại nước biển ở các vùng khác nhau trong điều kiện khí hậu thời tiết thay đổi. Trong các quy trình công nghệ xử lý nước (cho sinh hoạt và công nghiệp) quá trình lọc được áp dụng rất phổ biến và là công đoạn quan trọng. Hiện nay trên thế giới, công nghệ lọc đang là một trong những hướng được tập trung nghiên cứu, triển khai ứng dụng và phát triển thành các loại sản phẩm thiết bị công nghiệp có quy mô cũng như khả năng áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ xử lý môi trường (nước cấp, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, xử lý chất thải, các yếu tố độc hại...). Trong xử lý nước, công nghệ lọc (lọc hạt và lọc màng) được phát triển theo các hướng chủ yếu là: chế tạo ứng dụng vật liệu và màng lọc, tối ưu hóa quá trình lọc và tự động hóa thiết bị công nghệ. Để đáp ứng yêu cầu cấp nước sinh hoạt nông thôn ven biển và hải đảo, trạm xử lý nước (đặc biệt nhất là các trạm nhỏ dưới 100 m3/ngày) cần phải được nghiên cứu thiết kế trên cơ sở rẻ tiền đơn giản hóa tối đa cả về thiết bị và cả cho người vận hành. Để hệ thống xử lý nước có màng lọc nano hoạt động có hiệu quả, chuyển giao công nghệ cần được đi kèm với sự thích nghi và tiếp thu công nghệ, điều này phụ thuộc vào năng lực công nghệ, cơ sở hạ tầng và tiềm năng thị trường. Trong TCXDVN 33-2006. Cấp nước - Mạng lưới đường ống và công trình- Tiêu chuẩn thiết kế, nội dung lọc màng chưa được đề cập đến. Như đã phân tích, yêu cầu xử lý nước mặn và nước lợ thành nước sinh hoạt cung cấp cho các cụm dân cư ven biển và hải đảo ngày càng phổ biến và cấp thiết. Kết quả nghiên cứu của đề tài đề xuất được công nghệ xử lý nước ven biển có áp dụng màng lọc nano cũng như các thông số thiết kế và vận hành của nó sẽ được bổ sung cho TCXDVN 33-2006, phục vụ tốt cho công tác tư vấn thiết kế và vận hành các hệ thống cấp nước vùng ven biển và hải đảo. Như vậy, những nội dung cần nghiên cứu của đề tài sẽ là: - Nghiên cứu lý thuyết quá trình lọc màng NF đối với các phần tử ô nhiễm trong nước biển và nước biển ven bờ và các yếu tố ảnh hưởng đối với quá trình lọc màng. Đánh giá hiệu quả xử lý nước biển của màng lọc NF so với màng lọc RO, các loại màng lọc và phương pháp khác để xử lý nước biển thành nước cấp 13 sinh hoạt. - Nghiên cứu trên mô hình phòng thí nghiệm quá trình xử lý nước biển với các loại màng lọc NF khác nhau. Đánh giá hiệu quả xử lý cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc màng. - Nghiên cứu trên mô hình phòng thí nghiệm công nghệ có NF với các quá trình trước NF khác nhau để xử lý nước biển có thành phần, nồng độ thay đổi. Xác định hiệu quả xử lý, các chỉ tiêu kinh tế, các thông số thiết kế -vận hành và phạm vi ứng dụng của từng dây chuyền xử lý. - Lắp đặt một trạm xử lý công suất nhỏ khoảng 5 m3/ngày cho một địa điểm ven biển cần được xây dựng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu. - Dự thảo nội dung bổ sung phần công trình khử mặn nước biển có thiết bị lọc nano cho tiêu chuẩn thiết kế cấp nước sinh hoạt. Thiết kế điển hình các trạm cấp nước khu dân cư ven biển và hải đảo công suất 10/30/50/100 m3/ngày từ nước biển, phục vụ ”Chương trình mục tiêu Quốc gia Nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn” đến năm 2020 theo Quyết định số 104/2000QĐ-TTg của thủ tướng Chính phủ, ký ngày 25/8/2000. Công tác chuyển giao công nghệ, chế tạo, lắp ráp, đào tạo cán bộ được thực hiện cho Trung tâm nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường nông thôn quốc gia. Công tác đào tạo (thạc sỹ và tiến sĩ) thông qua dự án nghiên cứu - một kinh nghiệm đào tạo mà các nước phát triển áp dụng – cũng phải được thực hiện. 16 123456- Liệt kê danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu có liên quan đến đề tài đã trích dẫn khi đánh giá tổng quan Lê Văn Cát, 1999. Cơ sở hóa học và kỹ thuật xử lý nước. NXB Thanh niên,. Trần Đức Hạ, Đỗ Văn Hải, 2002. Cơ sở hóa học quá trình xử lý nước cấp và nước thải. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Trần Đức Hạ, 2003. Báo cáo đề tài NCKH cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo và Bộ Tài nguyên và Môi trường “Nghiên cứu đề xuất các biện pháp xử lý chất thải một số cảng biển khu vực phía Bắc nhằm đáp ứng công ước quốc tế về bảo vệ môi trường biển”. Trịnh Xuân Lai, 2002. Cấp nước. Tập 2: Xử lý nước thiên nhiên cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Nguyễn Văn Tín, 2008. Nghiên cứu mô hình cấp nước cho các khu dân cư ven biển và hải đảo. Báo cáo đề tài NCKH trọng điểm cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo, mã số: B2006-03-12TĐ. TCXDVN 33-2006. Cấp nước- Mạng lưới đường ống và công trình. Tiêu chuẩn thiết kế. 7- AWWA committee report “Membrane Processes”. Jour.AWWA, 90(6),1998, pp.91-105. 8- Applegate, L. 1984. Membrane separation process. Chem. Eng. June 11, 1984, pp.64-69. 9- Bergman, R.AS, 2005. Membrane process. In: Water Treatment Plant Design, 4th edn. New York: McGraw-Hill. 10- Jimmy L. Humphrey, George E. Keller II, 1997. Separation Process Technology. New York: McGraw- Hill. 11- Nicholas P. Cheremisinof, 2002. Membrane seperation technology. In: Handbook of Water and Wastewater Treatment Technology. Boston: Butterworth and Heinemann. 12- Taylor J.S., and E.P. Jacobs,1996. Nanofiltration and reverse osmosis. In: Water Treatment Membrane Process. New York: McGraw- Hill. 13- Johannes M.K. Timmer, 2001. Properties of nanofiltration membranes: model development and industrial application. Eindhoven: Techsche Universiteit Eindhoven, 14- N. Hilal, H. Al-Zoubi,..,2004. A comprehensive revew of nanofiltration membranes: Treatment, pretreatment, modelling, and atomic force microscopy. In: Desalination 170 (2004), pp. 281-308. 14 15- Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. АСВ издательство. Москва-2004. (Dzurba M. G., Sokolov L.I., Govorova Dz.M. Cấp nước. Thiết kế hệ thống và công trình. Nhà xuất bản hiệp hội các trường đại học xây dựng. Moscow-2004). 16- Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды. М., Стройиздат, 1964. (Mins D.M. Cơ sở lý thuyết xử lý nước. NXB XD Moscow, 1964). 17- СНиП 2.04.02-84. (Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống cấp nước bên ngoài). 18- http://www.akvastroiservis.com/index_ru.htm 17 Nội dung nghiên cứu khoa học và triển khai thực nghiệm của Đề tài và phương án thực hiện Nội dung 1: Nghiên cứu, thu thập số liệu đánh giá hiện trạng công nghệ; 1.1. Nghiên cứu đánh giá hiện trạng chất lượng nước cấp và công nghệ xử lý nước của các cụm dân cư vùng nông thôn ven biển và hải đảo Việt nam. Nội dung chủ yếu: thu thập hiện trạng khai thác và xử lý nước biển, nước ven biển để cấp nước sinh hoạt hiện nay qua các đề tài, chương trình dự án đã thực hiện trước. Phân tích đánh giá hiện trạng công nghệ xử lý nước đang áp dụng ở Việt nam. 1.2. Nghiên cứu định hướng xây dựng, phát triển cấp nước sinh hoạt vùng ven biển và hải đảo Việt nam thích ứng với sự biến đổi khí hậu. Nội dung: thu thập các định hướng phát triển chiến lược xóa đói giảm nghèo, cấp nước sinh hoạt vùng ven biển và hải đảo của Chính phủ và các tổ chức khác; chương trình Biển Đông, hải đảo và đánh bắt hải sản xa bờ của Nhà nước; đánh giá tiềm năng phát triển của thị trường hệ thống cấp nước công suất nhỏ cũng như hiệu quả kinh tế xã hội của chúng. 1.3. Tổng quan về các nghiên cứu, đề tài nghiên cứu trong lĩnh vực cấp nước sinh hoạt vùng ven biển và hải đảo tại Việt nam. Nội dung chính: Thu thập các đề tài nghiên cứu, luận án thạc sỹ, tiến sỹ trong lĩnh vực xử lý nước cấp vùng ven biển và hải đảo Việt nam. Phân tích, tổng hợp và đánh giá các kết quả nghiên cứu khử mặn để cấp nước đã áp dụng tại Việt nam. 1.4. Nghiên cứu đánh giá kinh nghiệm nước ngoài về khử mặn nước biển bằng phương pháp lọc màng để cấp nước sinh hoạt. Nội dung chính: tham quan trao đổi kinh nghiệm với các đối tác nước ngoài, thu thập, tổng hợp biên dịch các kinh nghiệm của nước ngoài trong việc xử lý nước biển bằng lọc màng để cấp nước sinh hoạt qua các tài liệu sách vở nước ngoài, hợp tác trao đổi thông tin khoa học kỹ thuật. Thu thập thông tin và tìm hiểu các loại màng lọc nano được sản xuất hiện nay. Phân tích, tổng hợp, đánh giá tổng quan qúa trình xử lý nước biển bằng màng lọc nano. 1.5. Báo cáo đánh giá các qui trình công nghệ có màng lọc nano để xử lý nước biển cấp cho sinh hoạt. Nội dung chính: đánh giá khả năng áp dụng, hiệu quả áp dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển để cấp nước sinh hoạt. Đánh giá tiềm năng xử lý nước biển bằng công nghệ có lọc màng trong điều kiện Việt nam. Nội dung 2: Nghiên cứu lý thuyết về quá trình xử lý nước biển để cấp nước cho sinh hoạt 2.1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình khử mặn nước biển để cấp nước cho sinh hoạt. Nội dung chính: nghiên cứu các quá trình trao đổi ion, vi lọc, thẩm thấu ngược, lọc nano…. Biên dịch, tổng hợp phân tích từ các tài liệu nước ngoài (Nhật Bản, Mỹ, Nga, Đức, Trung Quốc, Hàn Quốc,…). Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các quá trình lọc hạt và lọc màng. Đưa ra các nguyên lý cấu trúc dòng vật chất qua các khâu xử lý nước. 2.2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình lọc màng nano. Nội dung chính: Dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết cấu trúc các loại màng nano, tính toán quá trình chuyển khối (lọc) qua màng nano. Thiết kế thí nghiệm cho công tác nghiên cứu thực nghiệm ở nội dung sau. 2.3. Nghiên cứu tính toán, thiết kế các công nghệ xử lý nước biển thành nước cấp sinh hoạt có quá trình lọc 15 nano. Nội dung chính: Nghiên cứu đề xuất, tính toán, thiết kế các sơ đồ công nghệ xử lý nước biển thành nước sinh hoạt theo các sơ đồ: 1) Sơ đồ 1: Nước mẫu nhân tạo (pha theo nồng độ muối) Lọc màng nano Vi lọc Lọc cát Trao đổi ion Nước sau xử lý 2) Sơ đồ 2: Nước mẫu nhân tạo (pha theo nồng độ muối) vi Lọc Lọc cát Lọc màng nano Lọc màng RO Nước sau xử lý 3) Sơ đồ 3: Nước mẫu nhân tạo (pha theo nồng độ muối) Lọc cát Siêu Lọc Lọc màng nano bậc 1 Lọc màng nano bậc 2 Nước sau xử lý 4) Sơ đồ 4: Tổ hợp một số khâu xử lý trên trong đó có lọc màng nano ứng với các thành phần nước biển và các loại màng nano khác nhau. Thiết kế các sơ đồ công nghệ để triển khai nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nội dung 3: Nghiên cứu thực nghiệm màng lọc nano 3.1. Tìm hiểu đặc tính hóa lý của các màng lọc nano lựa chọn (thích hợp) cho các loại nước biển thành phần khác nhau trong phòng thí nghiệm. Nội dung chính: Tìm hiểu đặc tính hóa lý một số màng lọc nano phổ biến và tìm kiếm được trên thị trường hiện nay (trong nước và ngoài nước) như góc thấm ướt, thế Zeta, kích thước lọc,... Đánh giá kết quả khảo nghiệm và lựa chọn đúng loại màng lọc cho nghiên cứu thực nghiệm xử lý nước biển. Kết quả khảo nghiệm của các nghiên cứu trước cũng được tổng hợp xem xét để đánh giá (tính kế thừa). 3.2. Nghiên cứu các thông số làm việc của màng lọc nano lựa chọn cho các loại nước nhân tạo tương ứng với nước biển nồng độ muối khác nhau trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp mô hình thực nghiệm. Tìm hiểu cấu trúc màng bằng phương pháp hấp phụ khí hoặc kính hiển vi điện tử đâm xuyên. Xác định độ lưu giữ các chất có phân tử lượng khác nhau, áp suất động học tương ứng, chỉ số gia tăng tổn thất trong quá trình lọc, thời gian làm việc bảo vệ của màng lọc,… 3.3. Nghiên cứu sự tích tụ cặn trên các loại màng lọc nano và biện pháp xử lý. Nội dung chính: Theo dõi sự tích tụ cặn trên màng lọc nano đối với các loại nước biển có nồng độ muối khác nhau; đo lượng cặn tạo thành; thử nghiệm các phương pháp hóa học hoặc vật lý để làm sạch màng. Nội dung 4: Nghiên cứu thực nghiệm các công nghệ xử lý nước biển thành nước sinh hoạt có màng lọc nano áp lực thấp trong phòng thí nghiệm. 4.1. Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm và nghiên cứu xử lý nước biển theo sơ đồ lọc cát – vi lọc– màng lọc nano - trao đổi ion. Nội dung chính: thiết kế và chế tạo mô hình lọc cát, lọc trao đổi ion và bộ màng 16 lọc công suất q=(20-30) L/h; Pha nước biển nhân tạo ứng với nồng độ muối khác nhau; nghiên cứu xác định hiệu quả lưu giữ muối và chất rắn không hòa tan qua các khâu xử lý theo sơ đồ; xác định quan hệ giữa hiệu quả lưu giữ muối với áp lực công tác của màng lọc nano; xác định các thông số thiết kế và vận hành khác của sơ đồ; phân tích chất lượng nước đầu ra và so sánh với Quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT. 4.2. Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm và nghiên cứu xử lý nước biển theo sơ đồ lọc cát – vi lọc – màng lọc nano – màng lọc RO. Nội dung chính: thiết kế và chế tạo mô hình lọc cát, và bộ màng lọc (MF, NF và RO) công suất q=(20-30) L/h; Pha nước biển nhân tạo ứng với nồng độ muối khác nhau; nghiên cứu xác định hiệu quả lưu giữ muối và chất rắn không hòa tan qua các khâu xử lý theo sơ đồ; xác định quan hệ giữa hiệu quả lưu giữ muối với áp lực công tác của màng lọc nano; Xác định các thông số thiết kế và vận hành khác của sơ đồ; phân tích chất lượng nước đầu ra và so sánh với Quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT. 4.3. Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm và nghiên cứu xử lý nước biển theo sơ đồ lọc cát – siêu lọc – (bậc 1) – màng lọc nano (bậc 2). Nội dung chính: thiết kế và chế tạo mô hình lọc cát, siêu lọc và bộ màng lọc NF hai bậc công suất q=(20-30) L/h; Pha nước biển nhân tạo ứng với nồng độ muối khác nhau; nghiên cứu xác định hiệu quả lưu giữ muối và chất rắn không hòa tan qua các khâu xử lý theo sơ đồ; xác định quan hệ giữa hiệu quả lưu giữ muối với áp lực công tác của màng lọc nano; Xác định các thông số thiết kế và vận hành khác của sơ đồ; phân tích chất lượng nước đầu ra và so sánh với Quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT. 4.4. Lắp đặt và nghiên cứu sơ đồ tổ hợp các khâu xử lý (trong đó có màng lọc nano) để tìm công nghệ thích hợp cho từng loại nước biển có nồng độ muối khác nhau. Nội dung chính: Thay đổi các modun xử lý phù hợp công suất q=(20-30) L/h theo sơ đồ công nghệ có lọc nano áp lực thấp để xử lý nước biển và nước ven biển có nồng độ muối thay đổi từ 5 đến 40 g/L. Xác định các thông số thiết kế và vận hành khác của sơ đồ; phân tích chất lượng nước đầu ra và so sánh với Quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT. 4.5. Tính toán, phân tích và đánh giá các ưu nhược điểm, chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế các sơ đồ công nghệ xử lý nước biển thành nước sinh hoạt. Nội dung chính: Xác định được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật các phương án công nghệ có màng lọc nano áp lực thấp để xử lý nước biển thành nước sinh hoạt; đánh giá phạm vi áp dụng của các sơ đồ công nghệ; lựa chọn phương án công nghệ để triển khai nghiên cứu và thực nghiệm tại hiện trường. Nội dung 5: Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình ứng dụng ngoài hiện trường. (Mô hình công suất 5 m3/ngày. Sau khi thử nghiệm xong chuyển giao cho địa phương sử dụng). 5.1. Khảo sát lựa chọn địa điểm lắp đặt mô hình hiện trường để nghiên cứu xử lý nước biển cấp nước cho sinh hoạt. Nội dung: Làm việc với Trung tâm Quốc gia nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn để lựa chọn sơ bộ địa điểm (dự kiến tại các địa phương ven biển khu vực Bắc hoặc Trung bộ); khảo sát các địa điểm, tìm hiểu tình hình cấp nước sinh hoạt và lấy mẫu phân tích chất lượng nước biển. 5.2. Thiết kế và lắp đặt mô hình xử lý nước biển thành nước sinh hoạt bằng công nghệ có màng lọc nano áp lực thấp công suất 5 m3/ngày. Nội dung: Thiết kế, chế tạo mô hình và linh kiện, mua các thiết bị và bộ màng lọc nano với tính năng kỹ thuật xác định; Vận chuyển và lắp đặt mô hình tại hiện trường. 5.3. Nghiên cứu thực nghiệm ngoài hiện trường trên cụm mô hình thiết bị xử lý ứng dụng công suất 5 m3/ngày. Nội dung chính: Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình ứng dụng. Vận hành, thu thập, phân tích các chỉ tiêu, thông số làm việc của mô hình, phân tích chất lượng nước nguồn và nước sau xử lý; Xử lý số liệu thu thập được bằng các công cụ toán học và phần mềm chuyên dụng. So sánh ra thông số tính toán thực tế, so sánh với các thông số tính toán trên mô hình trong phòng thí nghiệm; Xác định các hệ số thực nghiệm. Đánh giá hiệu quả làm việc của cụm mô hình xử lý ứng dụng. Nội dung 6: Nghiên cứu đề xuất các giải pháp công nghệ kỹ thuật và sản phẩm. 6.1. Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế và qui trình vận hành cho bộ xử lý nước biển sử dụng màng lọc nano áp lực thấp với các công suất khác nhau 3/5/10/20m3/ngày áp dụng cho một số nguồn nước biển để cấp nước sinh hoạt cho tàu và hải đảo. Nội dung chính: máy bơm và các thiết bị thủy lực cần thiết khác, 17 bộ xử lý trước màng lọc nano, bộ lọc màng nano áp lực thấp, bể chứa nước sạch. 6.2. Nghiên cứu thiết kế chế tạo và xác định giá thành lắp đặt và vận hành cho các bộ xử lý nước biển sử dụng màng lọc nano áp lực thấp với các công suất khác nhau 3/5/10/20m3/ngày. Nội dung: Các bộ thiết kế công nghệ điển hình bộ xử lý cho nguồn nước biển có chất lượng phổ biến nhất; thiết kế thi công lắp đặt; thuyết minh thiết kế; xây dựng qui trình vận hành; xác định giá thành lắp đặt và vận hành. 6.3. Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế và qui trình vận hành cho trạm xử lý nước biển sử dụng màng lọc nano áp lực thấp với các công suất khác nhau 5/10/20/ 30/50 m3/ngày áp dụng cho một số nguồn nước biển ven bờ để cấp nước sinh hoạt cho cụm dân cư ven biển và hải đảo. Nội dung chính: máy bơm và các thiết bị thủy lực cần thiết khác, cụm xử lý trước màng lọc nano, bộ lọc màng nano áp lực thấp, bể chứa nước sạch. 6.4. Nghiên cứu thiết kế chế tạo và xác định giá thành lắp đặt và vận hành cho các trạm xử lý nước biển sử dụng màng lọc nano áp lực thấp với các công suất khác nhau 5/10/20/ 30/50 m3/ngày. Nội dung: Các bộ thiết kế công nghệ điển hình bộ xử lý cho nguồn nước ven biển có chất lượng phổ biến nhất; thiết kế thi công lắp đặt; thuyết minh thiết kế; xây dựng qui trình vận hành; xác định giá thành lắp đặt và vận hành trạm. 6.5. Chuyển giao mô hình ứng dụng công suất 5 m3/ngđ cho địa phương. Nội dung chuyển giao: Các hồ sơ thiết kế kỹ thuật, thuyết minh thiết kế kỹ thuật; Hướng dẫn vận hành cụm mô hình ứng dụng. Đào tạo cán bộ vận hành. 6.6. Báo cáo đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật, khả năng ứng dụng và chuyển giao công nghệ. Nội dung chính: Tính toán giá thành xử lý nước. Xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật để bổ sung cho cơ sở dữ liệu thiết kế kỹ thuật. 18 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng Cách tiếp cận: Trên cơ sở mục tiêu chính của đề tài là sử dụng màng lọc nano áp lực thấp trong các dây chuyền công nghệ xử lý nước biển và ven biển thành nước dùng cho sinh hoạt và lắp đặt trình diễn hệ thống xử lý nước biển áp lực thấp bằng màng lọc nano trong phòng thí nghiệm và ở quy mô thử nghiệm, chuyển giao được công nghệ xử lý nước biển thành nước cấp sinh hoạt cho các cơ sở cấp nước nông thôn, cách tiếp cận chính để thực hiện đề tài là: A- Tiếp cận nghiên cứu lý thuyết có kế thừa: Dựa trên các phương pháp, kết quả nghiên cứu lý thuyết trong và ngoài nước về màng lọc nano, và công nghệ xử lý nước biển thành nước cấp sinh hoạt, xây dựng lên cơ sở lý thuyết để thiết kế thí nghiệm trong nghiên cứu thực nghiệm. B- Tiếp cận các nghiên cứu của các cơ sở nghiên cứu: Tham quan, tìm hiểu, trao đổi kinh nghiệm cũng như hợp tác với các cơ sở nghiên cứu, tư vấn có kinh nghiệm trong lĩnh vực lọc nano, ngọt hóa nước biển trong và ngoài nước. C- Tiếp cận nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng các mô hình vật lý mô phỏng các quá trình xử lý nước có màng lọc nano áp lực thấp. Sử dụng các phương pháp đã thông dụng trên thế giới và Việt nam để thực hiện nghiên cứu trên các mô hình thực nghiệm đó. Tìm ra các thông số thực nghiệm, các quan hệ giữa các thông số với nhau. D- Nghiên cứu ngoài hiện trường: Xây dựng mô hình ứng dụng công suất 5 m3/ngày ngoài hiện trường và thực hiện nghiên cứu trên mô hình đó. Kết quả là các thông số thu được sẽ được xử lý, đánh giá bằng các công cụ toán học, phần mềm chuyên 18 dụng, từ đó so sánh với kết quả thu được trong phòng thí nghiệm, kết quả là rút ra được các hệ số thực nghiệm. E-Tham quan trao đổi kinh nghiệm, hội nghị, hội thảo khoa học, góp ý kiến Tham quan nước ngoài (dự kiến tại các khoa Kỹ thuật môi trường, trường Đại học Tokyo và Seyun) để tìm hiểu và trao đổi kinh nghiệm, cử cán bộ nghiên cứu tập huấn ngắn hạn tại các phòng thí nghiệm ở trường Đại học Tokyo và tổ chức các hội nghị thảo luận lấy ý kiến chuyên gia cho giai đoạn nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Đề tài tập trung vào việc lựa chọn được các loại màng lọc nano phù hợp (về tính năng kỹ thuật và giá thành) để xây dựng được công nghệ xử lý nước biển thành nước cấp sinh hoạt phù hợp trong điều kiện Việt Nam. Cách thức thực hiện dự án chủ yếu như sau: - Phân tích ưu nhược điểm của các loại màng lọc nano và khả năng ứng dụng của nó trong điều kiện Việt Nam; Phân tích, đánh giá các công nghệ xử lý nước biển thành nước cấp sinh hoạt hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới. - Nghiên cứu lý thuyết, đưa ra các thông số kỹ thuật thiết kế cho cụm thiết bị xử lý nước biển thành nước cấp sinh hoạt, đó là cho (1) màng lọc nano (2) cấu tạo bộ màng lọc nano áp lực thấp (3) các thiết bị và công trình trước lọc nano. - Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình, hoàn thiện các thông số kỹ thuật thiết kế cho cụm thiết bị xử lý sử dụng thiết bị bộ màng lọc nano, đó là cho (1) màng lọc nano (2) cấu tạo bộ màng lọc nano áp lực thấp (3) các thiết bị và công trình trước lọc nano. - Lựa chọn kết cấu và vật liệu hợp lý cho cụm thiết bị xử lý dựa trên các tiêu chí về kinh tế-kỹ thuật. - Thiết kế, chế thử các cụm chi tiết căn bản của thiết bị, phân tích ưu nhược điểm và lập lại qui trình hoàn thiện cho tới khi đạt yêu cầu về chất lượng, công suất; Áp dụng cho đối tượng có nhu cầu dùng nước sinh hoạt khoảng 5 m3/ngày. - Đa dạng hóa thiết bị và cụm thiết bị tùy thuộc vào chất lượng nước đầu vào (thêm - bớt các cụm xử lý hóa lý); - Đánh giá hiệu quả dự án. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: - Các phương pháp nghiên cứu bao gồm: tổng hợp, phân tích, đánh giá. - Phân tích chất lượng nước - Nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình ứng dụng ngoài hiện trường. - Ứng dụng các mô hình toán học và phần mềm chuyên dụng xử lý kết quả và tạo thành sản phẩm. Tính mới, tính độc đáo, tính sáng tạo: - Với cách tiếp cận của đề tài, các nội dung chính sẽ được thực hiện một cách bài bản, đúng qui trình nghiên cứu để đưa ra một sản phẩm (từ nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô hình nghiên cứu ngoài thực địa). - Việc nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình trong phòng thí nghiệm sẽ cho phép dễ dàng mô hình hóa và thay đổi các thông số công nghệ trong khi thực hiện thí nghiệm nhằm tối ưu hóa các thông số kỹ thuật và vận hành để tạo điều kiện thuận lợi cho công tác thiết kế và triển khai mô hình pilot ngoài hiện trường. 19 Phương pháp nghiên cứu sẽ kết hợp được tính kế thừa của các nghiên cứu đi trước, kết hợp được các phương pháp truyền thống và các phương pháp hiện đại như sử dụng các phần mềm chuyên dụng, các mô hình toán để xử lý kết quả và kinh nghiệm của các chuyên gia hàng đầu trong nghành cấp thoát nước và kỹ thuật môi trường . 19 20 Phương án phối hợp với các tổ chức nghiên cứu và cơ sở sản xuất trong nước - Hợp tác với Trung tâm Đào tạo ngành nước và Môi trường, thuộc Bộ Xây dựng trong việc nghiên cứu trên mô hình phòng thí nghiệm các quá trình khử mặn nước biển. Trung tâm Đào tạo ngành nước và Môi trường được Chính phủ Pháp tài trợ thành lập từ năm 1994. Trung tâm đã có kinh nghiệm trong lĩnh vực đào tạo, nghiên cứu, sản xuất, lắp đặt các thiết bị xử lý nước sinh hoạt. Cở sở vật chất của Trung tâm tốt: (1) phòng thí nghiệm nước và môi trường hiện đại, trong đó có các hệ thống trao đổi cation, vi lọc và siêu lọc (2) xưởng thực nghiệm gia công chế tạo và thử nghiệm thủy lực. Các chuyên gia của Trung tâm sẽ được mời phụ trách một số đề tài nhánh, chuyên đề về thực nghiệm, chế tạo, thử nghiệm thủy lực các mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. - Hợp tác với Trung tâm Quốc gia nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn trong việc tìm kiếm cơ sở triển khai mô hình nghiên cứu hiện trường cũng như các dự án xử lý nước biển thành nước sinh hoạt ở các vùng dân cư ven biển và hải đảo. Các cơ sở nghiên cứu, tư vấn thiết kế của Trung tâm sẽ được mời phối hợp trong việc nghiên cứu thiết kế các trạm cấp nước sinh hoạt vùng ven biển và hải đảo. - Hợp tác, trao đổi khoa học với các cơ sở nghiên cứu có kinh nghiệm về xử lý nước như Viện Công nghệ môi trường, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (ĐHBK Hà Nội), Trung tâm Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (ĐHQG Hà Nội),… trong việc ứng dụng NF và các loại màng lọc khác để xử lý nước biển. Phương án hợp tác quốc tế Khoa kỹ thuật môi trường, thuộc trường đại học Tokyo, là một cơ sở nghiên cứu hàng đầu thế giới về công nghệ màng trong xử lý nước thải, nước cấp cho sinh hoạt (phòng thí nghiệm của giáo sử Yamamoto Kazuo), hay trong xử lý nước cấp và nước biển (giáo sư Ohgaki Shinichiro và giáo sư Takizawa Satoshi). Vào đầu những năm 2000, họ lần đầu tiên đưa ra công nghệ xử lý nước biển bằng màng nano hai bậc. Một số cán bộ giảng dạy và cán bộ nghiên cứu của Viện Khoa học và Kỹ thuật môi trường hiện nay được đào tạo và nghiên cứu tại trường Đại học Tokyo. Vì vậy, các chuyên gia thực hiện đề tài sẽ tham quan trao đổi kinh nghiệm cử cán bộ tập huấn ngắn hạn về nghiên cứu xử lý nước biển tại khoa Kỹ thuật môi trường, trường Đại học Tokyo, cũng như mời các giáo sư, cán bộ nghiên cứu của trường Đại học Tokyo nhận xét, đánh giá các quá trình và kết quả nghiên cứu của đề tài. 21 Tiến độ thực hiện: Các nội dung, công việc chủ yếu cần được thực hiện; các mốc đánh giá chủ yếu Kết quả phải đạt Thời gian (bắt đầu, kết thúc) Cá nhân, tổ chức thực hiện* Dự kiến kinh phí (triệu VND) Xây dựng đề cương 1 1 Xây dựng đề cương chi tiết Đề cương chi tiết 01/2010 Trần Đức Hạ, ĐHXD; Nội dung 1: Nghiên cứu, thu thập số liệu đánh giá hiện trạng công nghệ 20 2