Đặt vấn đề Sự gia tăng dân số và phát triển công nghiệp nhanh chóng đã và đang là nguyên nhân dẫn đến những thách thức mà con người phải đối mặt do sự khan hiếm nguồn tài nguyên nước. Hiện nay, khoảng 20% dân số trên thế giới đang phải gánh chịu hậu quả do thiếu nguồn nước và 20% còn lại có thể tiếp cận nguồn nước nhưng không thể sử dụng cho mục đích ăn uống do chưa được xử lý thích hợp [66]. Dự đoán đến năm 2030, tình trạng thiếu nước sẽ trở nên trầm trọng hơn làm ảnh hưởng đến 40% dân số thế giới. Ở Việt Nam, trong những năm gần đây hiện tượng xâm nhập mặn đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng ở khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long do hoạt động ngăn đập thủy điện trữ nước vào mùa khô ở khu vực thượng nguồn và sự suy thoái của hệ sinh thái ngập mặn vùng ven biển.
Quá trình xâm mặn ngày càng sâu vào khu vực các huyện ven biển Ba Tri, Giồng Trôm cho đến Mỏ Cày, Chợ Lách thuộc tỉnh Bến Tre đã trở thành tâm điểm trong mùa khô 2019-2020, gây ra nhiều thiệt hại về kinh tế và đời sống người dân. Nhu cầu nước sạch cung cấp cho sinh hoạt và nước uống trở thành một vấn đề lớn cho các nhà chuyên môn về công nghệ lọc nước lợ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của người dân. Các hệ thống lọc nước sử dụng công nghệ màng đã và đang tồn tại trên thị trường gần như không khả thi cho việc lọc nước lợ với độ mặn lên đến 7 o /oo, với bằng chứng là 90% các hệ thống lọc nước được tài trợ trong dự án “Nước sạch học đường” giai đoạn 2019-2020 đến thời điểm hiện tại đều không thể hoạt động do nghẽn màng hoặc hư hại do sự ăn mòn của nước mặn. Nhu cầu lọc nước nhiễm mặn để thu hồi nước sạch sử dụng hoặc làm nước uống trực tiếp là thiết thực và cấp bách.
Các công nghệ lọc nước nhiễm mặn được chia thành hai nhóm chính: (i) nhóm công nghệ lọc màng và (ii) nhóm công nghệ sử dụng nhiệt. Trong đó, các công nghệ màng ứng dụng lọc nước lợ (TDS trong khoảng 1000-10.000 mg/L) thường cho hiệu quả kinh tế cao hơn [44]. Hiện tại, công nghệ ứng dụng phổ biến nhất để xử lý nước cấp nhiễm mặn thành nước uống trực tiếp là công nghệ màng thẩm thấu ngược (RO – Reverse Osmosis) hoặc màng nano (NF - Nano Filtration). So với màng NF, màng RO cho nước đầu ra với chất lượng tốt hơn, phù hợp để sử dụng làm nước uống trực tiếp, mặc dù có giá thành cao hơn và khả năng thu hồi nước thấp hơn.
Để có thể sử dụng cho mục đích ăn uống, nước sau khi qua hệ thống lọc RO phải đạt tiêu chuẩn QCVN 6-1:2010/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với nước khoáng thiên nhiên và nước uống đóng chai). Thực tế cho thấy chất lượng nước đầu ra của hệ thống lọc RO phụ thuộc đáng kể vào tính chất của nguồn nước cấp; vì vậy các mô đun tiền xử lý như lọc micro (MF) hoặc siêu lọc (UF) thường cần phải được bổ sung để đảm 2 bảo cho hệ thống màng RO (i) hoạt động ổn định với chi phí năng lượng tối ưu (ii) nước đầu ra đạt tiêu chuẩn, (iii) có tần suất rửa màng thấp giúp vận hành đơn giản [6, 24, 37]. Chất lượng nước cấp (feed stream) quyết định đáng kể đến cấu hình thiết kế và hiệu quả hoạt động của hệ thống lọc RO hoàn chỉnh. Lưu lượng dòng cấp và dòng thải là các thông số thiết kế quan trọng, thay đổi tùy theo chất lượng nguồn nước cấp, quyết định hiệu suất vận hành và hiệu quả kinh tế của hệ thống lọc RO.
Nước cấp có chất lượng tốt cho phép vận hành hệ thống RO với lưu lượng dòng cấp cao và lưu lượng dòng thải thấp, từ đó có thể giảm số lượng các mô-đun màng trong cấu hình hệ thống RO [36]. Riêng đối với nguồn nước nhiễm mặn, công nghệ lọc RO thường được lựa chọn do thuận lợi về mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các công nghệ sử dụng nhiệt khác như công nghệ khử mặn nhiều giai đoạn MSF (Multi Stage Flashing) hay công nghệ chưng cất MED (Multi Effect Distillation) [15, 42, 46]. Nghiên cứu trước đây cho thấy chi phí tiêu thụ năng lượng chiếm khoảng 45% tổng chi phí vận hành của hệ thống RO [12]. Phần lớn năng lượng tiêu tốn cho nhu cầu tăng áp dòng cấp vào mô- đun màng RO.
Hệ thống RO lọc nước lợ có thể cần vận hành với áp suất lên đến 400 psi [1] với năng lượng tiêu tốn tỷ lệ nghịch với công suất, dao động lớn từ 0,2 đến 25,6 kWh/m3 tùy vào cấu hình thiết kế [55]. Nghiên cứu khác cũng cho thấy chi phí đầu tư vào nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống RO ở các vùng nông thôn chiếm khoảng 60% tổng ngân sách đầu tư [60]. Quy trình thiết kế và vận hành các hệ thống lọc RO còn nhiều hạn chế, chưa được tối ưu sao cho phù hợp với từng nguồn nước đầu vào. Việc sử dụng các công cụ hiện đại trong quá trình thiết kế nhằm tối ưu hóa hệ thống chưa được quan tâm phát triển.
Nhận thấy hạn chế trong thiết kế hệ thống lọc RO quy mô nhỏ nhằm đáp ứng nhu cầu nước uống thực tế cho người dân ở vùng có nguồn nước cấp nhiễm mặn, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng WAVE trong thiết kế cấu hình hệ thống lọc nước lợ quy mô nhỏ sử dụng công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) đạt hiệu quả thu hồi và chất lượng nước phục vụ nhu cầu nước uống tại các trường học thuộc Ba Tri, Bến Tre” được thực hiện.2 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá tính khả thi trong ứng dụng phần mềm WAVE thiết kế hệ thống lọc nước sử dụng công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) quy mô nhỏ (công suất 0,3 m3/giờ) để xử lý nguồn nước cấp nhiễm mặn tại các trường học thuộc huyện Ba Tri, Bến Tre.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: 3 ‐ Nội dung 1: Ứng dụng phần mềm WAVE xác định thành phần thiết kế của hệ thống RO khử mặn nước cấp. ‐ Nội dung 2: Đánh giá thực nghiệm hiệu quả vận hành đối với nguồn nước giả lập và nguồn nước thực tế tại Ba Tri, Bến Tre. ‐ Nội dung 3: Đề xuất quy trình ứng dụng phần mềm WAVE trong thiết kế hệ thống lọc nước RO khử mặn nước cấp.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: − Nguồn nước cấp nhiễm mặn thuộc địa bàn huyện Ba Tri, Bến Tre. − Phần mềm WAVE hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống RO.
− Hệ thống RO lọc nước cấp nhiễm mặn.2 Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng thực tế tại các trường học có quy mô trên 1000 học sinh thuộc huyện Ba Tri, tỉnh Bến Tre.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 1.1 Ý nghĩa khoa học Tại Việt Nam, công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) đã và đang được sử dụng rộng rãi để sản xuất nước uống từ cả nguồn nước lợ và nước mặn, bên cạnh nguồn nước cấp sinh hoạt. Những cải tiến công nghệ lọc RO đang dần tiến đến làm giảm chi phí về năng lượng (đặc biệt đối với xử lý nguồn nước nhiễm mặn), tích hợp công nghệ tiền xử lý thích hợp đối với nước cấp sinh hoạt chưa được loại bỏ hoàn toàn các tác nhân gây hại, như phèn sắt, phèn nhôm, các loại muối khoáng, ion kim loại độc hại ở dạng hòa tan như arsenic, cadmium, nitrite, nitrate, ammonium, và dư lượng thuốc bảo vệ thực vật ở dạng vết trong nguồn nước máy. Kích thước hệ thống RO hiện nay có thể thay đổi đáng kể từ quy mô hộ gia đình cho đến quy mô công nghiệp. Bên cạnh những khó khăn do đặc điểm nguồn nước đầu vào thay đổi, ở mỗi quy mô xử lý khác nhau, cấu hình thiết kế hệ thống lọc RO có những thay đổi đáng kể nhằm đảm bảo quá trình vận hành lâu dài và ít tốn kém chi phí vận hành.
Một quy trình thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm truyền thống dựa vào kinh nghiệm thường tốn kém thời gian tính toán thiết kế, thời gian thử nghiệm và khả năng lãng phí cao. Vì vậy, nghiên cứu đề xuất một quy trình thiết kế đơn giản nhờ tận dụng phần mềm thiết kế có sẵn (WAVE) đối với hệ thống lọc nước lợ RO 4 quy mô nhỏ có hiệu quả vận hành theo nhu cầu thực tế sẽ là một giải pháp hữu ích mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật nhất định. Phần mềm WAVE được biết đến như một công cụ hỗ trợ quá trình thiết kế hệ thống lọc sử dụng công nghệ RO hiện đại, giúp tối ưu hóa cấu kiện và tiết kiệm thời gian. Việc áp dụng phần mềm WAVE vào quá trình thiết kế hệ thống RO ở Việt Nam là bước phát triển mới đáp ứng nhu cầu thiết kế và nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp tối ưu, tính chính xác và hiệu quả cao trong công tác thiết kế hệ thống.
Do WAVE được phát triển bởi chính công ty sản xuất màng lọc nước RO có thị phần khá lớn trên thế giới (Dow Filmtec Company), thư viện dữ liệu về loại đơn vị màng và các thông số kỹ thuật đi kèm cũng được tích hợp đầu đủ và cập nhật liên tục trong WAVE, từ đó giúp quy trình thiết kế được đơn giản và thuận lợi hơn so với các phần mềm được lập trình riêng lẻ khác, thường đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lập trình và tính toán.2 Ý nghĩa thực tiễn Huyện Ba Tri thuộc tỉnh Bến Tre là địa phương vùng xa còn nhiều khó khăn do thường xuyên trong tình trạng thiếu nước sạch. Các cơ sở trường học trên địa bàn huyện chưa có hệ thống nước sạch để phục vụ học sinh và giáo viên, chủ yếu sử dụng nguồn nước uống đóng bình của một số cơ sở sản xuất trong huyện để cung cấp nước uống và nấu ăn cho học sinh và giáo viên. Tuy nhiên, việc đảm bảo chất lượng nước đóng bình tại các cơ sở sản xuất của địa phương theo quy chuẩn về chất lượng nước ăn uống (QCVN 01:2009/BYT) và chất lượng nước khoáng thiên nhiên và nước đóng chai (QCVN 6-1:2010/BYT) là một vấn đề chưa được kiểm soát chặt chẽ do quy mô sản xuất của các cơ sở còn nhỏ lẻ. Vì vậy, hệ thống lọc nước sau khi lắp đặt tại địa phương nếu vận hành hiệu quả về cả kinh tế và kỹ thuật có thể giúp các trường học tại địa phương giải quyết đáng kể nhu cầu dùng nước sạch cho ăn uống.