Đột phá trong công nghệ CCRO so với RO truyền thống

Những đổi mới đột phá thường thay đổi cơ bản phương pháp làm việc hoặc thay đổi cách thực hiện một việc gì đó. Ví dụ, iPhone không làm 1 cuộc điện thoại trở nên tốt hơn – nó đã trở thành 1 nền tảng mới cho mọi người giao tiếp, kết nối, sử dụng và chia sẻ thông tin.

Giống như iPhone, công nghệ thẩm thấu ngược (CCRO) được giới thiệu gần đây đã có bước đột phá so với công nghệ thẩm thấu ngược (RO) truyền thống, châm ngòi cho một cuộc cách mạng công nghệ giúp tiết kiệm chi phí và mang lại lợi ích hợp tác vượt xa khả năng của RO truyền thống. Công nghệ RO phần lớn vẫn không thay đổi công nghệ sau khi ra đời vào năm 1959 và thương mại hóa bắt đầu từ những năm 1960. Sự phát triển của màng và việc thêm các cấp (stage) có 1 phần nâng cao hiệu quả, nhưng nhiều hệ thống RO hiện đại được bán ngày nay sử dụng các nguyên tắc thiết kế có từ những năm 1980. Tuy nhiên hiện tại công nghệ CCRO báo hiệu sẽ thức tỉnh lại ngành công nghiệp này.

RO truyền thống

RO là công nghệ chính được sử dụng trong khử mặn, nước thủy cục, nước thải. Hiệu quả trong việc loại bỏ muối, các hạn chế hoạt động của nó bao gồm tỷ lệ thu hồi thấp, bám bẩn và đóng cặn, tần số vệ sinh (CIP) cao, tuổi thọ màng ngắn, khó kiểm soát được các thay đổi về chất lượng nước cấp, chất lượng bị suy giảm, chi phí vận hành cao. Chìa khóa để giải quyết tất cả những vấn đề này cuối cùng bắt nguồn từ một giải pháp liên quan đến việc phát minh lại quy trình lọc cơ bản.

Trong các hệ thống RO đa cấp truyền thống, tỉ lệ thu hồi, lưu lượng dòng cấp, lưu lượng dòng qua màng phụ thuộc vào nhau, tăng cái này thì cái kia giảm vì vậy để kiểm soát được cả hiệu quả và hiệu suất thì cần phải cân bằng các yếu tố này. Hệ thống này hoặc đáng tin cậy nhưng không hiệu quả, hoặc hiệu quả nhưng không đáng tin cậy.

Có những phương pháp để tối ưu hơn như bằng cách sử dụng bơm tăng áp giữa các cấp lọc hay kết hợp với các loại lóc khác (UF, RO) nhưng những cách tiếp cận này làm giảm tính linh hoạt khi vận hành. Trong khi ngành công nghiệp này đã đạt được những thành tựu đáng kể trong việc tối ưu các công đoạn của RO nhưng chưa có 1 công trình nào chú ý đến việc tối ưu thiết kế cơ bản (fundamental design).

CCRO breakthrough

Việc áp dụng mạnh mẽ công nghệ CCRO khi vừa mới suất hiện trên nhiều ngành công nghiệp thể hiện một trong những bước đột phá cơ bản nhất kể từ khi thương mại hóa vào những năm 1960. Các thành phần cấu thành 1 hệ RO đơn cấp bao gồm độ thu hồi, thông lượng qua màng và lưu lượng được được giải phóng bằng cách tự động xả dòng cô đặc dựa trên tỉ lệ thu hồi, áp suất hay độ dẫn. Sự linh động này giúp đạt được mức độ hiệu quả và độ tin cậy cao hơn đáng kể so với RO truyền thống

Được minh họa trong Hình 1, CCRO hoạt động ở 2 chế độ:

(1) Dòng cô đặc chạy tuần hoàn trong mạch kín và độ thu hồi đạt 100%

(2) Chế độ xả ở độ thu hồi 15-30%. Một bơm áp suất cao (HPP) cung cấp một vòng tuần hoàn kín bao gồm một hệ RO 1 cấp và một bơm tuần hoàn (CP) và nhiều housing lọc đặt song song. Lưu lượng dòng permeate được tạo ra tương đương với lưu lượng của HPP. Dòng cô đặc được tuần hoàn lại mà không cần giảm áp suất. Khi đạt được tỷ lệ phần trăm thu hồi mong muốn, dòng cô đặc sẽ được loại bỏ khỏi hệ thống bằng dòng nước feed ở chế độ plug-flow (PF) tương tự như RO truyền thống.

Việc thay dòng cấp được thực hiện mà không cần dừng bơm cao áp hoặc dừng dòng thẩm thấu qua màng. Sau đó, hệ thống quay trở lại hoạt động trong một mạch kín (CC), trong đó không có dòng nào bị loại bỏ. Bên cạnh kích hoạt việc xả dựa trên thể tích thu hồi hệ thống còn có thể sử dụng các thông số khác như độ dẫn dòng permeate hay độ dẫn dòng cô đặc.

Việc kích hoạt xả này cũng có thể được kết hợp với thông số nồng độ silica hay nitrate. Vận hành với nhiều thông số cài đặt (nghĩa là trong các thông số trên thì chọn 1 trong các điều kiện) cung cấp cho hệ thống sự linh hoạt để tự động thích ứng với các điều kiện nước cấp thay đổi trong khi luôn tối đa hóa độ thu hồi tương ứng với chất lượng nước mong muốn. Độ thu hồi tổng trong quy trình CCRO là một hàm phụ thuộc vào thời gian giữa các lần xả nước muối. Do đó, không nhất thiết phải sử dụng RO đa cấp để tăng độ thu hồi trong thiết kế của RO truyền thống.

Một thiết kế có độ thu hồi cao thường bao gồm 1 cấp và từ một housing từ 4 đến 5 màng để cân bằng giữa hiệu suất và chi phí. Khả năng chống bám cặn (fouling) và đóng cặn (scaling) tốt, cùng với độ thu hồi cao, là điều quan trọng trong việc khử mặn nước muối, xử lý nước công nghiệp và tái sử dụng nước. Quy trình CCRO cung cấp các giải pháp mới và nâng cao để giải quyết những thách thức này.

Dòng chảy chéo được kiểm soát độc lập bởi một bơm tuần hoàn sẽ rửa sạch hiệu quả các màng, dẫn đến sự phân cực nồng độ thấp hơn và giảm tác động của việc đóng cặn và bám bẩn. Độ mặn của nước muối trong quá trình tuần hoàn khi lên đến độ mặn của nước muối đậm đặc nhất, các chất kết tủa và các màng sinh học có thể bị phá vỡ và thậm chí bị đảo ngược (nghĩa là bị bong ra khỏi màng). Đáng chú ý là thời gian giữa các các lần xả sẽ ngắn hơn rất nhiều so với thời gian để kết tủa hầu hết các muối hòa tan. Kết quả này trái ngược với các điều kiện ở trạng thái ổn định trong các hệ thống RO truyền thống, duy trì nồng độ gần như không đổi trong các mảng màng của chúng trong vài tháng hoặc thậm chí vài năm. Ngoài ra, vì quá trình thu hồi có thể được điều chỉnh dễ dàng, hệ thống này có thể được điều chỉnh nếu nồng độ muối đóng cặn hoặc các đặc tính khác của nước cấp thay đổi.

Do những đặc tính này, công nghệ CCRO chắc chắn đáng tin cậy hơn nhiều so với truyền thống – các hệ RO đa cấp, và độ tin cậy của nó có yếu tố then chốt trong việc áp dụng quy trình tự trị, theo hướng dữ liệu cho các ứng dụng quan trọng. Hệ thống RO truyền thống chỉ đáng tin cậy khi vận hành ở độ thu hồi thấp.

Ví dụ: một hệ thống 1 cấp có độ thu hồi 50% sẽ ít bị tắc nghẽn hơn RO 2 cấp, độ thu hồi 75% và RO này cũng sẽ ít bị tắc nghẽn hơn RO 3 cấp độ thu hồi 88%. Trong khi độ tin cậy của hệ thống là 1 yếu tố chính khi lựa chọn của đa số khách hàng thì họ phải chọn RO đa cấp để đạt được hiệu suất mong muốn. Trong quy trình CCRO, sự thỏa hiệp này không còn cần thiết. Trên thực tế, độ thu hồi càng cao, thì khoảng thay đổi nồng độ sẽ càng rộng, do đó tạo ra khả năng miễn nhiễm tốt hơn khi bị tắc nghẽn hữu cơ. Ngoài ra, bản chất thích ứng của hệ thống sẽ giữ cho hệ thống ở hiệu suất tối ưu vì chất lượng nước đầu vào như điều kiện màng thay đổi theo thời gian, mang lại mức độ tin cậy và hiệu quả mà không thể đạt được với hệ thống RO truyền thống.

Case study: Nước cấp cho nhà máy giấy

1 nhà máy giấy nằm ở sa mạc Sonoran, trải dài các phần phía tây nam UnitedStates (Hoa Kỳ) và phía bắc Mexico, đã thay thế hệ thống RO 2 cấp truyền thống bằng 2 hệ CCRO 1 cấp để tăng nguồn cung cấp nước tinh khiết khi công ty mở rộng sản xuất gấp đôi vào năm 2014.

Nguồn nước đầu vào là nước ngầm có độ mặn cao với nồng độ silica, sắt, andmangan cao, tất cả đều là những thách thức đáng kể đối với việc sản xuất các sản phẩm giấy thương mại. Còn nước giếng cho nhà máy giấy không chỉ có kim loại mà còn có nồng độ vi sinh vật cao do điều kiện địa nhiệt (105 oF), tất cả phân bổ ngân sách đáng kể hàng năm là để làm sạch màng và bảo trì hệ thống. Mặc dù với nhiều nỗ lực nhưng hệ thống RO đa cấp này gặp nhiều khó khăn để sản xuất đủ nước cho nhà máy.

Vì vậy không thể tăng gấp đôi sản xuất với hệ thống hiện có vì nó sẽ tăng gấp đôi nồng độ nước xả thải, vượt quá giới hạn cho phép của nhà máy. Nâng cấp lên hai hệ thống CCRO, nhà máy đạt được công suất nước cần thiết đồng thời giảm lượng nước cô đặc tạo ra từ hệ thống truyền thống. Tần số CIP cũng kéo dài hơn với việc giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và hóa chất. Kết quả như sau:

Tăng 200% sản lượng dòng nước qua màng (permeate)

Giảm 26% nước thải được tạo ra

Giảm 5% năng lượng cần thiết

Giảm 63% chất chống cặn được sử dụng

Giảm 600% tần suất CIP.

Quá trình tuần hoàn và xả định kỳ đầy đủ loại bỏ sự bám bẩn hữu cơ, và dòng chảy chéo được kiểm soát độc lập với 1 bơm tuần hoàn cung cấp hiệu suất màng tối đa. Tiêu thụ chất chống cặn cũng được giảm xuống do giảm nồng độ phân cực và thời gian hình thành cặn silica.

Case study: tái sử dụng nước trong dược phẩm

Trong sản xuất dược phẩm, nước quan trọng không chi vì quy định khắt khe phải là nước siêu tinh khiết mà còn cho nồi hơi và tháp giải nhiệt được sử dụng trong quá trình sản xuất chúng. Để giảm thiểu rủi ro liên quan đến tình trạng khan hiếm nước, ngành công nghiệp đã chủ động áp dụng phương pháp mới để tăng tái sử dụng nước có nồng độ hữu cơ cao.

Một cơ sở dược phẩm ở bang California, United States (Hoa Kỳ) bị hạn hán, và khẩn trương cố gắng tìm ra để tái sử dụng lượng nước thải. Tuy nhiên, cơ sở gặp phải một thách thức đáng kể do sự thay đổi liên tục trong tính chất của nước thải. Độ mặn của nước thải dao động hàng ngày, với giá trị độ dẫn dao động từ dưới 100 micromet trên cm (μS /cm) lớn hơn 2.000μS / cm và mức COD là cao hơn 2.000 milligram mỗi lít (mg / L). Một hệ thống bao gồm lọc MF và theo sau là CCRO đã cung cấp giải pháp tối ưu. Lọc MF có thể loại bỏ bất kỳ chất rắn lơ lửng nào và RO có thể loại bỏ các muối, vì vậy nước có thể được tái sử dụng cho lò hơi, nước cho tháp giải nhiệt hoặc tưới tiêu.

Thông số hoạt động của hệ CCRO: độ thu hồi thể tích ở 95 phần trăm, nước đầu vào độ dẫn 14.800μS / cm, và áp suất vận hành ở 300psi. Bất kể thành phần nước thải thay đổi liên tục, CCRO sẽ thích ứng trong thời gian thực để tối ưu hóa quá trình thu hồi khi thành phần nước thải liên tục thay đổi. Khi điều kiện nước đầu vào thay đổi liên tục hệ RO này sẽ tự động điều chỉnh để thích nghi trong khoảng 1 tuần  (Hình 2).

Case study: Tái sử dụng nước thải đô thị

Chiến lược phổ biến trong ngành nước liên quan đến việc tái sử dụng nước thải đô thị để sử dụng trực tiếp và gián tiếp, cũng như các ứng dụng công nghiệp, bao gồm lò hơi, tháp giải nhiệt. Thiết bị xử lý chính cần thiết là MF hoặc siêu lọc (UF) để loại bỏ chất rắn lơ lửng và RO để loại bỏ chất rắn hòa tan. Cuối cùng, yếu tố hạn chế đối với hiệu suất tổng thể của nhà máy là hiệu suất của RO, khi MF và UF được thiết kế đủ công suất . Việc tăng tỷ lệ thu hồi vượt quá 85% là một thách thức do nồng độ cao của các chất hữu cơ trong nguồn nước đầu vào.

Năm 2016, quận Padre Dam, California đã hoàn thành một nghiên cứu kéo dài 9 tháng để đánh giá hiệu suất CCRO. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định độ thu hồi tối đa có thể đạt được trong khi vượt quá tần suất CIP là 30 ngày, vượt quá khả năng của một hệ RO đa cấp truyền thống.

Hệ thống có thể hoạt động ở độ thu hồi 95% và 96% trong khi tần suất CIP là hơn 30 ngày và sau đó vận hành lên đến đến 97,5% (Hình 3).

Một trong những ưu điểm khác biệt của thiết kế CCRO là có thể sử dụng các dãy mảng màng ngắn hơn để đạt được bất kỳ tỷ lệ thu hồi mong muốn. Trong trường hợp một hệ RO ba cấp truyền thống với bảy màng trên mỗi housing thì sẽ có 21 màng nối tiếp nhau, 1 hệ CCRO có độ thu hồi 98% với bốn hoặc năm màng nối tiếp nhau. Số lượng màng ít hơn trong dãy góp phần cải thiện sự phân bố lưu lượng trên các màng (lưu lượng đều hơn). Cách tiếp cận này dẫn đến hiệu suất màng tốt hơn và tuổi thọ màng lâu hơn.

Chỉ số tổng cacbon hữu cơ (TOC) được sử dụng thường xuyên trong ứng dụng nước thải đô thị để giám sát hiệu suất của màng. Theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất màng thì TOC của nước tối đa là 3mg / L. Nếu vượt qua giá trị này có thể làm mất thông lượng và ảnh hưởng này có thể không thể đảo ngược lại được.

Hình 4 cho thấy chỉ số TOC ở các dòng cấp, dòng cô đặc, dòng qua màng (permeate). Mặc dù giá trị TOC của nước cấp xấp xỉ mười lần nồng độ tối đa khuyến cáo của NSX, khi so sánh với Hình 3, tổn thất trong thông lượng là không đáng kể. Bên cạnh đó việc mất lưu lượng là có thể phục hồi được khi chạy CIP (kể cả khi CIP không cần gia nhiệt)

Những kết quả này đã lặp lại ở các thành phố khắp Nam California. Thành phố Los Angeles đạt được độ thu hồi bền vững là 95%; Hạt Orange – Los Angeles đạt được độ thu hồi 90.6% – và đang tối ưu để đạt được cao hơn. Cho dù xử lý nước thải đô thị để tái sử dụng hay trong công nghiệp thì CCRO đã chứng minh là 1 giải pháp đáng tin cậy và hiệu quả nhất.

CCRO thiết lập những tiêu chuẩn mới

Khắc phục những hạn chế kỹ thuật của RO truyền thống, CCRO về cơ bản đang thay đổi cách các công ty và tổ chức trong tất cả các ngành công nghiệp tiếp cận với xử lý nước thải đô thị và công nghiệp. CCRO sẽ giải quyết những điều sau:

Độ thu hồi cao không còn là giới hạn về mặt áp suất

Có thể giảm thiểu tình trạng bám cặn

Tần số CIP và tuổi thọ màng có thể được kéo dài

Quản lý các thay đổi về chất lượng nước có thể tự động

Chất lượng nước qua màng có thể là 1 thông số cái đặt

Giảm chi phí hóa chất và năng lượng.

Hệ thống vận hành sử dụng cách tiếp cận hướng dữ liệu, tích hợp IoT

Kết luận

RO sẽ tiếp tục là công nghệ chính để nước muối và nước thải; tuy nhiên, CCRO hiện tại là tiêu chuẩn mới. Sự thiếu hiệu quả và hạn chế của RO đa cấp truyền thống không còn bền vững nữa khi có thể thay thế bằng 1 hệ RO đơn cấp hiệu quả vượt trội về vận hành, môi trường và tài chính. Với hơn 150 hệ thống được lắp mới trên 6 châu lục và hơn hàng chục ngành công nghiệp khác nhau, rõ ràng là công nghệ này đang bắt đầu phát triển mạnh mẽ.

Tham khảo:

Twenty-first century reverse osmosis disrupts traditional technology – Water world