Quy trình xử lý nước biển nhiễm mặn | Dịch vụ tại TP Vinh Nghệ An

Độ mặn và các tính chất khác của nước biển

Nước biển thường có độ mặn rất cao (độ mặn ở Thái Bình Dương là 32 – 35 g/l). Hàm lượng muối trong nước biển thay đổi tùy theo vị trí địa lý như: cửa sông, gần hay xa bờ, ngoài ra trong nước biển thường có nhiều chất lơ lửng, càng gần bờ thì nồng độ càng tăng, chủ yếu là các phiêu sinh động thực vật.

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.

Tỷ trọng của nước biển nằm trong khoảng 1.020 tới 1.030 kg/m³ tại bề mặt còn sâu trong lòng đại dương, dưới áp suất cao, nước biển có thể đạt tỷ trọng riêng tới 1.050 kg/m³ hay cao hơn. Như thế nước biển nặng hơn nước ngọt (nước ngọt tinh khiết đạt tỷ trọng riêng tối đa là 1.000 g/ml ở nhiệt độ 4 °C) do trọng lượng bổ sung của các muối và hiện tượng điện giải. Điểm đóng băng của nước biển giảm xuống khi độ mặn tăng lên và nó là khoảng -2 °C (28,4 °F) ở nồng độ 35‰. Do đệm hóa học, độ pH của nước biển bị giới hạn trong khoảng 7,5 tới 8,4. Vận tốc âm thanh trong nước biển là khoảng 1.500 m•s−1

Phương pháp Xử lý nước biển

Nguyên tắc của phương pháp xử lý nước nhiễm mặn thành nước ngọt là: Giảm hàm lượng muối NaCl trong nước tới mức cho phép có thể ăn uống, tắm giặt được. Việc giảm hàm lượng muối trong nước mặn gọi là khử mặn nước. Có thể khử mặn bằng phương pháp nhiệt, phương pháp lọc màng, phương pháp trao đổi ion… Để biến nước biển thành nước ngọt cấp cho sinh hoạt, sản xuất, người ta có thể dùng phương pháp chưng cất (phương pháp nhiệt), phương pháp trao đổi ion và phương pháp lọc màng thẩm thấu ngược R.O hoặc màng lọc nano NF
Đến nay toàn thế giới có khoảng 15.000 nhà máy khử mặn, biến nước biển thành nước ngọt, trong đó, 50% là của vùng Trung Đông, 24% của Mỹ, 10% của Nhật Bản, số còn lại của các nước Tây Âu. Phần lớn các nhà máy trên dùng công nghệ màng lọc, công nghệ chưng cất, chỉ số ít nhà máy dùng công nghệ trao đổi ion.

a) Phương pháp chưng cất:

Các nhà máy chưng cất nước có thể tạo ra nước có hàm lượng muối từ 1 – 50 mg/l (nhỏ hơn 1g/l). Trong quá trình chưng cất, máy lọc nước biển sẽ cho nước biển được đun nóng, các phân tử nước H₂O bay hơi, các chất hòa tan như NaCl, các chất vô cơ và phần lớn các chất hữu cơ khác đều không bay hơi. Hơi nước H₂O gặp lạnh sẽ ngưng tụ thành nước lỏng không có NaCl và các chất khác, nghĩa là ta thu được nước ngọt tinh khiết(nước cất). Nhiệt lượng làm bay hơi nước ở 100⁰C là 2256 kJ/kg (hay 539 kcal/kg), nghĩa là cần tiêu tốn 539 kcal nhiệt để thu được 1kg nước ngọt.
Ưu điểm của phương pháp chưng cất là: mức tiêu thụ năng lượng thấp, sử dụng nhiệt trực tiếp. Nhược điểm của phương pháp này là các bộ phận trao đổi nhiệt nhanh chóng bị đóng cặn, chi phí bảo hành và bảo dưỡng cao. Phương pháp này thường áp dụng cho các nhà máy khử muối có quy mô lớn.

b) Phương pháp trao đổi ion

Người ta chế tạo ra các tấm nhựa trao đổi ion. Nhựa trao đổi ion dương gọi là cationit, nhựa trao đổi các ion âm gọi là anionit. Cho nước biển đi qua bể chứa các tấm nhựa cationit và anionit. Các cation như Na⁺ bị tấm nhựa cationit giữ lại và đẩy vào nước ion H⁺. Các anion như Cl^- bị tấm nhựa anionit hấp phụ và đẩy vào nước ion OH^-. Nước ra khỏi bể có hàm lượng ion Na⁺ và Cl^- nhỏ, nghĩa là có hàm lượng muối NaCl nhỏ, ta thu được nước ngọt.

c) Phương pháp lọc màng

Màng thẩm thấu ngược R.O được sử dụng nhiều nhất trong việc loại bỏ muối từ nước biển để thu được nước ngọt. Màng R.O cũng được sử dụng để làm sạch nước ngọt dùng trong y tế, công nghiệp. Trên toàn thế giới, hiện có khoảng 16.000 nhà máy lọc nước biển thành nước ngọt bằng màng R.O, tổng công suất đạt 30.000.000 m³/ngđ.
Nước biển có hàm lượng Na⁺, Cl^- cao. Sự thẩm thấu là: các phân tử dung môi H₂O khuếch tán qua màng bán thẩm từ nơi nước nhạt sang nơi nước mặn. Còn sự thẩm thấu ngược là các ion Na⁺, Cl^- sẽ chui qua màng bán thẩm R.O từ nước biển có nồng độ Na⁺, Cl^- cao sang nơi nước nhạt (có nồng độ Na⁺, Cl^-thấp), kết quả là nước biển biến thành nước ngọt.

Hệ thống lọc nước biển bằng màng R.O gồm 4 giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: lắng và lọc sơ bộ để loại bỏ rác, cặn lơ lửng.
Giai đoạn 2: sử dụng bơm tăng áp lực phù hợp với màng lọc.
Giai đoạn 3: Tách muối ra khỏi nước. Nước biển được bơm qua màng lọc R.O dưới áp lực cao tạo thành dòng nước ngọt tinh khiết và dòng nước muối đậm đặc.
Giai đoạn 4: Nước sau khi được tách muối thì được ổn định pH, sau đó được khử trùng và đưa vào sử dụng.

Phương pháp thẩm thấu ngược tiêu tốn nhiều năng lượng: 4kWh/1m³ nước. Hệ thống xử lý nước siêu tinh khiết có chi phí đầu tư, vận hành và quản lý rất cao. Màng lọc R.O phải thay thế thường xuyên do tắc nghẽn. Việc xử lý nước muối (là nước thải của nhà máy) rất khó khăn. Nếu nhà máy đóng ở vùng duyên hải thì nước muối có thể thải trở lại biển, nhưng nếu nhà máy khử mặn nằm trong đất liền thì mọi chuyện sẽ phức tạp hơn nhiều. Nhiều địa phương có quy định không cho xả nước thải (nước muối) từ nhà máy khử mặn ra hồ ao, đầm ruộng, cống rãnh.

Do công nghệ thẩm thấu ngược R.O chi phí điện năng cao nên người ta đã nghiên cứu dùng phương pháp tiêu tốn ít năng lượng hơn là dùng màng lọc nano (nanofilter – NF) để biến nước biển thành nước ngọt. Cũng có thể kết hợp công nghệ màng NF với màng R.O để biến đổi nước mặn thành nước ngọt cấp cho sinh hoạt và sản xuất của con người.

hình ảnh màng lọc nano (nanofilter – NF)

3. Quy trình xử lý nước biển cấp nước cho sinh hoạt:

Giai đoạn 1: Tiền xử lý: Là giai đoạn lắng và lọc sơ bộ để loai bỏ rác, cặn lắng, các chất rắn lơ lửng, điều chỉnh pH.
Giai đoạn 2: Điều áp: Sử dụng bơm tăng áp lực điều chỉnh áp lực nước phù hợp với các màng lọc và độ mặn của nước cấp.
Giai đoạn 3: Tách màng: Đây là giai đoạn quan trọng nhất, tách muối ra khỏi nước. Trên nguyên tắc dùng áp lực cao hơn áp lực thẩm thấu, nước được bơm qua hệ thống lọc RO dưới áp lực cao tạo thành dòng nước tinh khiết và dòng muối đạm đặc. Qua kiểm nghiệm, nước ngọt thu được bảo đảm như nước tinh khiết, các chất bẩn nguy hại như nitrat, ion kim loại, sun phát, chất bẩn hữu cơ và vi khuẩn… hầu như bị loại bỏ.
Giai đoạn 4: Ổn định: Nước sau khi được tách muối được ổn định pH, sau đó mang đi khử trùng và đưa vào sử dụng. Vì qua màng lọc có thể mất khoáng nên trước khi cấp nước người ta có thể bổ sung thêm một số khoáng chất cần thiết cho cơ thể.

Ưu điểm của quy trình xử lý lọc nước biển thành nước ngọt cho sinh hoạt:

Tiết kiệm được nguồn nước ngầm trong lòng đất
Chất lượng nước đầu ra đảm bảo đạt QCVN 10: 2008/BTNMT
Tiết kiệm điện năng cho hệ thống xử lý nước biển.
Dễ vận hành hệ thống xử lý nước biển.

Tại Việt Nam công nghệ xử lý nước biển thành nước sinh hoạt bằng RO đã được lắp đặt thử nhiệm tại một số địa phương như: trên tàu đánh bắt xa bờ của ngư dân Đà Nẵng, xử lý nước biển thành nước sinh hoạt cho giàn khoan dầu khí tại tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, xử lý nước mặn phục vụ cho ăn uống và sinh hoạt tại Sư đoàn 4, tỉnh Kiên Giang (công suất 140 m³/ngđ),…

4. Ứng dụng công nghệ lọc nước biển vào đời sống

Ngày nay, công nghệ xử lý lọc nước biển thành nước cấp cho sinh hoạt được sử dụng rộng rãi trên thế giới, cung cấp nước sinh hoạt cho dân cư ở khu vực ven biển, hải đảo, ngư dân đánh bắt cá xa bờ, vùng lọc dầu,…