CHUYÊN ĐỀ 4. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VI SINH

1. Giới thiệu về công nghệ lọc màng1.1. Khái niệm về màng lọcMàng lọc là một lớp màng vật liệu mỏng có khả năng phân

tách vật chất theo đặc tính vật lý và hóa học của chúng khichịu một áp lực nhất định. Màng lọc ngăn cách giữa hai pha,có khả năng tạo ra sức cản để tách một số phần tử có trongnước như cặn lơ lửng, ion, vi sinh vật…khi cho dung dịch điqua màng.

Hình 1. Quá trình hoạt động của màng lọcThông qua quá trình làm việc của màng lọc, dòng hỗn hợp

đầu vào được phân tách làm hai phần: một phần là dung dịchsau lọc và phần những vật chất bị giữ lại trước màng lọc.Màng lọc có thể áp dụng để làm sạch hay làm đậm đặc một dungdịch hay phân tách một hỗn hợp.

Các ưu điểm của màng lọc:- Quá trình màng lọc xảy ra ở điều kiện nhiệt độ bình

thường và các dung dịch tham gia không có sự thay đổivề pha, đây là ưu điểm lớn so với phương pháp tách

1

bằng chưng chất. - Quá trình phân tách vật chất qua màng không cần có hóa

chất phụ gia như một số các quá trình khác trong xử lýnước, ví dụ lắng và lọc.

Nguyên lý lọc màng dựa trên sự phân tách các phần tử trongnước qua lớp vách ngăn (màng) nhờ lực tác dụng. Lực tác dụng cóthể là chênh lệch áp suất (∆P), điện thế (∆E), nồng độ dungdịch (∆C), nhiệt độ (∆T)... Các thông số cơ bản của quá trìnhlọc màng: i) Áp lực; ii) Cơ chế phân tách; iii) Cấu trúc màng;và iv) Pha dung dịch.

Hình 2. Mô tả màng lọc

1.2. Phân loại màng lọcHiện nay, căn cứ vào áp suất hoạt động có bốn công nghệ

lọc màng được sử dụng trong xử lý nước và nước thải:+ Công nghệ màng vi lọc MF (Microfiltration).+ Công nghệ màng siêu lọc UF (Ultrafiltration).+ Công nghệ màng lọc nano NF (Nanofiltration).+ Công nghệ màng lọc thẩm thấu ngược RO (Reverse

Osmosis).

Bảng 1. Đặc trưng chủ yếu của 4 công nghệ lọc màng MF UF NF RO

Áp suấthoạt động(Bar)

1-4 2-8 10-40 15-100

2

Kíchthước lỗ(micro)

0.1-0.5 0.005-0.050.0005-0.001

< 0.0005

Phần bịgiữ lại

các hạt cókích thướclớn hơn

Phân tử cókích thướclớn hơn

Ion hóatrị cao

Hầu hếtmọi thứ

Phần điqua màng

Các muốihòa tan,

các hạt nhỏ

Các ion vàphân tử nhỏ

Phân tửnhỏ, ionhóa trị I

Phân tửrất nhỏ

Với các đặc tính trên, màng vi lọc thường được sử dụng làbước tiền xử lý cho các công đoạn tiếp theo

Về hình học, màng lọc có cấu trúc đồng nhất (đối xứng )hoặc không đồng nhất (bất đối xứng).

Màng có cấu trúc đối xứng (simetric) là màng có độ xốpđều dọc theo chiều dày (10 – 200µm). Trở lực lọc bị chi phốibởi toàn bộ độ dày của lớp màng. Chiều dày của màng giảm thìtốc độ lọc tăng và độ bền cơ học của màng giảm.

Màng có cấu trúc bất đối xứng là màng gồm có hai lớp:giá đỡ và lớp da. Giá đỡ có cấu trúc xốp, độ dày nằm trongkhoảng 50 - 150µm có độ bền cơ học đặc trưng cho cả màng, lớpda là lớp mỏng ở phía trên khá đặc, kích thước lỗ xốp đượcđặc trưng bởi chỉ số phân tử lượng bị chặn đặc trưng chomàng, độ dày khoảng 0.1 - 1µm. Trở lực của màng do lớp daquyết định. Loại màng này kết hợp được khả năng ưu việt về độthấm lớn của lớp giá đỡ và tính chọn lọc của lớp da đặc. Loạimàng này được ứng dụng trong công nghiệp một cách rộng rãi vàhiệu quả.

Màng tổ hợp cũng là màng hai lớp, hai lớp này được chếtạo từ hai vật liệu khác nhau, từng lớp được tối ưu hóa riêngbiệt. Thông thường ngay giá đỡ đã là một bất đối xứng và đựơcgắn thêm một lớp da ở trên.

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc màng3

Trong quá trình tách bằng thẩm thấu ngược, màng bán thấmcó ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng của quá trình. Cácmàng thường có độ chọn lọc và độ thẩm thấu rất khác nhau,ngay trong cùng một loại màng sản xuất theo điều kiện côngnghệ như nhau thì cấu trúc của màng cũng không phải là đồngnhất, các mao quản có đường kính khác nhau, độ khuyết tật củamao quản trên từng vùng của màng cũng khác nhau nên đườngkính của mao quản chỉ tính theo đường kính trung bình. Nóichung màng có đường kính mao quản càng nhỏ thì có khả nănggiữ ion chất tan càng tốt. Nhưng để đảm bảo quá trình làmviệc tốt thì các màng phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Độ chọn lọc cao- Thấm nước tốt - Chịu được nhiệt độ cao- Chịu được chất oxy hóa, đặc biệt là clo- Không bị tắc bởi các chất hữu cơ, vô cơ, keo, vi sinh vật- Ổn định về nhiệt, lý học và hóa học trong nước biển- Dễ tạo hình để tạo ra các sản phẩm có diện tích màng

trong một đơn vị thể tích cao (mật độ cao)- Chịu được biến dạng- Tuổi thọ cao- Rẻ

Trong quá trình làm việc, có rất nhiều yếu tố làm suygiảm hiệu suất của màng, do đó khi tính toán thiết kế cũngnhư khi vận hành phải có các biện pháp phòng ngừa thích hợp.

1.3.1. Tắc mànga. Tính chất của hạtTrong quá trình hoạt động, các loại màng lọc có thể bị bít

tắc do các yếu tố như chất lơ lửng hoặc các chất dư thừa có mặttrong nước cấp vào. Các loại cặn bẩn thường gặp như:

- Cacbonat canxi

4

- Sulphat canxi,bari hoặc stonti- Ôxit kim loại (sắt,mangan,đồng,niken...)- Các polymer- Chất keo vô cơ lắng được- Hỗn hợp chất keo vô cơ và hữu cơ lắng được- Các chất hữu cơ tự nhiên (NOM)- Các chất hữu cơ nhân tạo- Các loại vi sinh vật (tảo, nấm mốc..)Bản chất và vận tốc của sự đóng cặn phụ thuộc vào một số

yếu tố, chẳng hạn như chất lượng của nước đầu vào và tỷ lệnthu hồi nước. Thông thường, sự đóng cặn là tăng dần, và nếukhông được kiểm soát sớm, sẽ làm giảm hiệu suất quá trình lọcmàng trong một thời gian tương đối ngắn

Muốn hiểu được quá trình xâm nhập chất qua màng thì cầnphải hiểu rõ được tính chất thủy động học của từng vật chất chodù là nhìn được hay các phân tử, chất keo hay kết tủa. Chúngđều là các ví dụ của vật chất nên đều có cấu tạo phân tử vàkhối lượng.

Các thông số miêu tả bởi Hayes và đồng sự, rằng các vậtchất có khối lượng phân tử 100kDa được tính là phân tử, vàrất ít phân tử đạt đến khối lượng quá 1000kDa và chúng cókích thước khác nhau. Nhóm thơm chủ yếu ở kích thước trungbình, còn các polisacarit thường ở kích thước lớn nhất mà màuthì chủ yếu xuất hiện từ kích thước trung bình tới lớn. 50%các chất hữu cơ tự nhiên (NOM) là các bon hữu cơ.

Khối lượng phân tử thường được dùng để miêu tả kích thướccho dù giá trị thực khó xác định bởi sự đa phân tán. Ở đây nhấnmạnh đường kính thủy động học dh để nói đến kích thước. Làđường kính của hình cầu có các tính chất thủy động học tươngđương với các hạt thực trong khuếch tán Brownian qua công thứcStokes-Einstein sau:

5

Da: Hệ số khuếch toán

k: hằng số Bolzmann

T: nhiệt độ tuyệt đối

µ: hệ số nhớt

Trong lọc màng thì kích thước và hình dạng của các hạtđóng vai trò quan trọng. Các hạt bé nhất thường có dạng cầucòn các hạt lớn hơn thì có hình xoắn ngẫu nhiên. Dưới quansát kính hiển vi điện tử và một số phương pháp khác thì kíchthước các hạt có dạng cầu hoặc ovan trong khoảng 2 đến 20nm.Các hạt lớn hơn có kích thước lên đến 30nm và dạng sợi ngẫunhiên tới 3µm, một số hạt có cấu trúc mạng tới 50nm. Đối vớicác hạt lớn thì hình dáng phụ thuộc vào nồng độ, pH và cáchạt ion. Giả thuyết cho rằng bởi lực đẩy nội phân tử kém nênhạt có thể kéo dài thành các sợi thẳng trong nồng độ thấp,cường độ ion thấp và nồng độ pH trung tính.

Để phá vỡ cấu trúc hạt có kích thước lớn hơn 1µm thì cầnlực cắt lớn hơn 1000-2000 s-1, trong khi đó nếu thay đổi môitrường thì cấu trúc của NOM cần thêm thời gian vài ngày để ổnđịnh.

Kích thước các hạt trong nước thiên nhiên rất đa dạng.Trên hình 3, cho thấy hầu hết các hạt có kích thước trongkhoảng 1-10 nm, nhưng cũng có thể lớn hơn. Đối với nước có độmặn cao như các muối Cacbonat thì hạt có kích thước nhỏ. Đốivới các hạt trong nước đầm lầy và hồ chứa vào mùa xuân thì cókích thước lớn hơn bởi độ khô trong đất tăng lên.

6

Hình 3. Kích thước hạt NOM trong nước thiên nhiên

Hình 4. Kích thước hạt của NOM tùy theo mùa và nguồn nước

b. Cơ chế lọc và tắc màngKhi màng lọc không bị tắc thì các hạt sẽ chuyển động ra

khỏi màng sau khi có dòng cấp mang tới. Quá trình này xuấthiện bởi các nguyên lý khuếch tán khác nhau mà kích thước vàvận tốc dòng ngang là quan trọng (hình 5). Lực cắt khuếch tánhình thành bởi sự va chạm giữa các hạt và lực đẩy quán tínhlà kết quả tương tác của hạt phân tử nước trong trường vậntốc. Cần thiết phải có sự chênh nồng độ để xuất hiện lựckhuếch tán Brownian và lực cắt khuếch tán. Khi đó dòng chảycắt ngang gần nhất với bề mặt màng, nơi có sự phân cực và

7

chênh lệch nồng độ gọi là lớp phim (film). Vận tốc của lựcđẩy nội phân tử có thể bị giảm đi bởi dòng chảy. Nồng độ phâncực sẽ gia tăng ở lớp phim cho đến khi đạt trạng thái cânbằng giữa dòng chảy qua màng và tổng dòng khuếch tán.

Hình 5. Các lực tác dụng lên hạt trong trường vận tốc phía trên của màng lọc

Để giải thích về cơ chế tắc màng thì cần dựa vào cân bằngtrọng lượng của các hạt xâm nhập. Thorsen có đưa ra nghiêncứu quan trọng về làm cách nào mà vì sao NOM gây tắc màng dựatrên sự cân bằng khối lượng giữa các phần khác nhau của NOMtrong quá trình lọc với điều kiện sự tắc màng không xảy ra.Việc phân tích dựa trên quy trình cổ điển được mô tả theoTrettin, D. R. and Doshi, M. R. và De, S. and Bhattacharaya,P. K.. Cách tính toán cơ chế gây tắc bởi NOM được đưa ra từngcác phép tính riêng biệt cho vài trăm nội hạt có kích thướcvà các tính chất theo từng dãy và các liên hệ chung của cácdãy. Có tính đến ảnh hưởng của các chất lượng nước thô khácnhau (hình 5).

Bảng 2. Các hiện tượng xuất hiện trên hệ thống màng lọc NF,

RO

8

Nguyên nhân Vị trí Áp suấtnhỏ giọt

Áp suấtđầu vào

Lượngmuối đầu

raCặn bám Ôxít

kim loạiMàng đầu

tiênTăng nhanh Tăng

nhanhTăngnhanh

Cặn bám Keo Màng đầutiên

Tăng chậm Tăng chậm Tăng nhẹ

Cặn khoáng Màng cuốicùng

Tăng bìnhthường

Tăng nhẹ Tăng rấtchậm

Các siliccattrùng hợp

Màng cuốicùng

Thườngtăng

Tăng Thườngtăng

Cặn bám sinhhọc

Nhiều vịtrí,thườnglà màng đầu

tiền

Tăng rấtchậm

Tăng rấtchậm

Thườngtăng

Cặn bám hữucơ

Tất cả cácmôđun

Tăng chậm Tăng Giảm

Antiscalant Môđun thứhai

Thườngtăng

Tăng Thườngtăng

Chất oxy hóa Màng đầutiên

Thườnggiảm

Giảm Tăng

Thủy phân Tất cả cácmôđun

Thườnggiảm

Giảm Tăng

Sự mài mòn Môđun đầutiên

Thườnggiảm

Giảm Tăng

Rò rỉ chỗnối

Không cụ thể Thườnggiảm

Thườnggiảm

Tăng

Rò rỉ do keodán

Môđun đầutiên

Thườnggiảm

Thườnggiảm

Tăng

Rò rỉ do keodán

Cuối mỗimôđun

Tăng Tăng Tăng

9

1.3.2. Tính chất dung dịchNhư chúng ta đã biết, dung dịch là một hỗn hợp đồng thể

ít nhất là có hai cấu tử và có thành phần thay đổi. Vì dungdịch gồm nhiều cấu tử nên đặc trưng chủ yếu của dung dịch lànồng độ, rõ ràng sự phân bố chất tan, sự liên kết giữa cácphân tử dung môi và phân tử chất tan tạo thành một hệ đồngthể sẽ quyết định tính chất đặc trưng của dung dịch.

Để có thể hiểu rõ và giải thích được một cách đầy đủ cácyếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của màng, chúng tacần đề cập đến các đặc trưng “ nhiệt động và cấu trúc củadung dịch”.

Khi hòa tan một chất tan trong một dung môi nào đó, thìlập tức có sự tương tác giữa phân tử dung môi và phân tử chấttan đồng sinh ra hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng nhiệt của quá trìnhhòa tan nhiều khi rất lớn. Vì vậy có thể cho thể cho rằng:quá trình hòa tan là kết quả của một phản ứng đặc biệt để tạora mối liên kết giữa chất tan và dung môi. Người ta gọi quátrình này là quá trình solvat hóa hoặc quá trình hydrat hóa,các quá trình này được định nghĩa:

- Hydrat hóa là sự định hướng của các phân tửnước xung quanh ion chất tan, chuyển động cùng với chúngvà tác dụng tương hỗ lẫn nhau.

- Solvat hóa là danh từ chỉ quá trình trên nhưngứng với dung môi không phải là nướcTrong khu vực hydrat hóa gần các phân tử nước hình thành

lớp vỏ hydrat hóa thứ nhất và số phân tử nước ở vùng này đượcgọi là số hydrat phối trí.

Hàng loạt các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng khảnăng hydrat hóa khác nhau của các ion có ảnh hưởng rất lớnđến tính lựa chọn và độ thẩm thấu của màng.

10

Bảng 3. Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán của các ion trong

dung dịch loãng với bán kính lớp vỏ hydrat

Ion Hệ số khuếch tántrong dung dịch vôcùng loãng [10-9

m2/s]

Bán kínhPauling [nm]

Bán kính lớp vỏhydrat [nm]

Na+ 1.33 0.095 0.36Mg2+ 0.77 0.065 0.43Cl- 2.03 0.181 0.33SO4

2- 1.06 0.290 0.38 1.3.3. Bản chất chất điện lyNhiều tác giả đã nghiên cứu quá trình tách các muối vô cơ

từ dung dịch nước bằng phương pháp thẩm thấu ngược đã chỉ rarằng với các ion khác nhau được tiến hành tách trong cùng mộtđiều kiện như nhau trên cùng một màng thì các đặc trưng củaquá trình tách cũng khác nhau. Như vậy quá trình tách này cònphụ thuộc vào bản chất chất điện ly ở dung dịch. Như đã nói ởtrên khả năng hydrat hóa khác nhau của các ion ảnh hưởng đếntính lựa chọn và thẩm thấu của màng. Qua thực tế nghiên cứunhiều tác giả đưa đến kết luận: độ lựa chọn tăng khi khả nănghydrat hóa của ion tăng (tương ứng với bán kính ion giảm) vàngược lại khả năng hydrat hóa tăng thì độ thẩm thấu giảm.

Khả năng hydrat hóa của các ion được sắp xếp như sau:Ion hóa trị 1: Li+ >Na+ >K+ >Rb+ >Cs+

Cl- >Br- > NO3- >I- >CNS-

Ion hóa trị 2: Mg2+ > Ca2+ > Cr2+ > Ba2+

Ion hóa trị 1 & 2: Sr2+ > Ba2+ > Li+ > Na+ > K+

SO42- > Cl- > Br- > NO3

- > I-

Độ bền của lớp hydrat hóa được xác định theo biểu thứcsau:

11

Trong đó:ZA : điện tích anionrA : bán kính ion (Ao)0,25: hằng số đặc trưng cho sự không đối xứng ở vị

trí lưỡng cực của phân tử nước.Như vậy khi độ bền hydrat hóa tăng thì độ lựa chọn tăng

và độ thẩm thấu giảm.1.3.4. Áp suất qua màngMột trong những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu

ngược có tính chất quan trọng là áp suất qua màng. Muốn quátrình thẩm thấu ngược xảy ra ta phải tạo ra áp suất lớn hơnáp suất thẩm thấu để tạo ra động lực quá trình. Rõ ràng ápsuất càng tăng thì động lực quá trình ( - ) càng lớn, độ

thẩm thấu và độ chọn lọc càng tăng, tuy nhiên mức độ tăng củacác thông số này trong từng vùng áp suất không giống nhau.

Hình 6. Quan hệ giữa áp suất qua màng và độ thẩm thấu, độ chọn lọc

Từ hình vẽ ta thấy lúc đầu khi áp suất tăng thì độ chọnlọc ( ) và độ thẩm thấu (G) đều tăng. Nếu tiếp tục tăng áp

suất thì độ thẩm thấu đạt tới giá trị cực đại rồi giảm xuống

12

dần, độ chọn lọc hầu như không thay đổi. Sở dĩ có hiện tượngnhư vậy là vì: trong giai đoạn đầu khi tăng áp suất sẽ làmtăng nhanh động lực quá trình đồng thời màng bị biến dạng dầnđường kính lỗ mao quản thu hẹp lại cho nên độ chọn lọc sẽtăng và độ thẩm thấu cũng tăng. Nếu tiếp tục tăng áp suất thìnhững ống mao quản sẽ bị khít dần lại, bề mặt làm việc củamàng giảm dần, giảm nhanh hơn sự tăng động lực của quá trình,vì vậy lượng nước qua màng giảm đi. Khi giảm dần áp suất tathấy hai đường quan hệ theo chiều thuận nghịch không trùngnhau. Nguyên nhân là do màng có tính đàn hồi nên khi thựchiện theo hai chiều, màng có biến dạng dư.

Giữa và giữa G – P có mối quan hệ sau:

G = B1 + B2 .lg P

Trong đó: B1 & B2 :là các hệ số phụ thuộc vào màng

và dung dịch.

a1 & a2 :là các hằng số xác định bằng thực

nghiệm.

Qua các phân tích trên, ta thấy không phải làm việc ở ápsuất càng cao là càng tốt vì không những độ thẩm thấu giảm,độ chọn lọc không tăng được bao nhiêu mà còn do màng bị nénquá lớn dẫn tới màng bị biến dạng quá giới hạn đàn hồi, làmphá hủy các cấu trúc màng. Thông thường với mỗi loại màng cácnhà sản xuất đều đưa ra các thông số làm việc của màng.

1.3.5. Nồng độ dung dịch Nồng độ dung dịch cũng là một yếu tố rất quan trọng ảnh

hưởng đến quá trình làm việc của màng. Khi nồng độ thay đổi

13

không những động lực của quá trình thẩm thấu ngược thay đổimà cấu trúc dung dịch cũng thay đổi.

Trong dung dịch người ta thường chia thành 3 vùng nồng độsau:

- Vùng nồng độ loãng: là vùng còn tồn tại các phân tử nước ởtrạng thái tự do trong dung dịch .

- Vùng nồng độ giới hạn: tại cùng này không còn tồn tại cácphân tử nước ở trạng thái tự do mà nó đã ở trong lớphydrat gần và xa.

- Vùng nồng độ cô đặc: tại vùng này toàn bộ lượng nước đãchuyển vào lớp vỏ hydrat hóa thứ nhất.Khi chuyển từ vùng nồng độ này sang vùng nồng độ khác thì

cấu trúc dung dịch thay đổi đột ngột. Với dung dịch loãng ảnhhưởng của nồng độ đến độ chọn lọc là độ thẩm thấu của màng làkhông đáng kể vì trong dung dịch luôn tồn tại các phân tửnước tự do tạo thành một lớp màng nước nguyên chất trên bềmặt màng. Nhưng khi nồng độ dung dịch tăng dần lên thì sốphân tử nước tự do trong dung dịch giảm đi chúng chuyển dầnvào lớp vỏ hydrat hóa thứ hai và thứ nhất. Khi đó lực tươngtác giữa ion chất tan và dung môi rất lớn, mối liên kết nàyrất bền vững, do đó bền mặt màng không tạo thành lớp nướcnguyên chất được và xảy ra hiện tượng bịt kín các mao quản dođó độ chọn lọc và độ thẩm thấu của màng giảm đi rất nhanh.

Theo Govindan và Souvirajan quan hệ giữa độ thẩm thấu vànồng độ thể hiện qua biểu thức sau:

Trong đó::động lực của quá trình (kg/cm2)

:khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

14

: độ nhớt của dung dịch (Ns/m2)

C :nồng độ của dung dịch (mol/l)N : hằng số thực nghiệmK1, K2: hằng số ứng với từng hệ dung dịch - màng1.3.3.6. Hiện tượng phân cực nồng độ Phân cực nồng độ là hiện tượng mà chất tan tích tụ trên

lớp biên vì các chất tan này bị màng chặn lại (hình 1.9).Biến dạng nồng độ ổn định được thiết lập khi dòng chuyển độngđối lưu của chất tan gần sát màng bằng dòng khuếch tán củachất tan gần lớp tích tụ. Quá trình tích tụ này được thể hiệntrên phương trình sau.

Trong phương trình này dòng đối lưu được mô tả bằng thônglượng thể tích (Jv) và dòng khuếch tán được thể hiện qua hệ sốchuyển khối (k).

Hình 7. Hiện tượng phân cực nồng độ

Sự gia tăng nồng độ tại bề mặt màng dẫn tới làm tăngchênh lệch áp suất thẩm thấu đối với màng. Dòng lọc của dungmôi qua lớp biên và qua màng có thể biểu hiện dưới dạng sau:

15

).(.).(.

,

,

pipb

pipi

CCTRCCTR

Biến dạng

nồng độ

Cs

Cp

Cv

Ci

Hiện tượng phân cực nồng độ có thể gây ra các tác độngsau:

- Hiện tượng phân cực nồng độ sẽ làm tăng dòng chất tan điqua màng do đó làm giảm độ chọn lọc của màng.

- Sự tăng nồng độ trên lớp biên có thể biên có thể đạt đếnnồng độ bão hòa của cấu tử nào đó và tạo kết tủa trên bềmặt màng, làm giảm bề mặt làm việc của màng (tạo thànhmột lớp màng thứ 2), dẫn tới làm giảm dòng dung môi.

- Hiện tượng phân cực nồng độ làm giảm động lực của quátrình do làm tăng áp suất thẩm thấu của dung dịch.Ảnh hưởng của hiện tượng phân cực nồng độ làm suy giảm

dòng lọc về bản chất là do xuất hiện dòng khuếch tán ngượccủa chất tan, ngoài ra còn có các hiện tượng khác cũng làmsuy giảm dòng lọc như : quá trình hấp phụ, lắng đọng trênhoặc trong bề mặt màng của các cấu tử có trong thành phầndung dịch, các quá trình này có thể dẫn tới hiện tượng tắcmàng.

2. Kết quả nghiên cứu về công nghệ xử lý vi sinhTiến hành lấy mẫu nước, kiểm tra mật độ vi sinh thu được

kết quả nồng độ coliform là 68 MNP/100ml..Sau đó nghiên cứu khả năng xử lý vi sinh bằng cách cho

nước đi qua hệ thống màng lọc UF trong khoảng 2,5 giờ (150phút), ta thu được kết quả như sau:

16

0

20

40

60

80

100

0 15 30 60 75 90 105 120 135 150Thời gian (m in)

Coliform (M

NP/100ml))

Hình 8. Hiệu quả lọc Coliform theo thời gian lọc

Từ hình 8 cho thấy, hệ thống màng lọc UF lọc được colifom rất

tốt. Với hàm lượng coliform đầu vào 68MNP/100ml, chỉ sau 2h

lọc đã đạt hiệu suất lọc vi sinh là 100%.

3. Công nghệ hệ lọc nước

3.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước mặt qui mô trạm cấpnước tập trung tại xã Lão Hộ, huyện Yên Dũng tỉnh Bắc Giang

17

13

3.2. Công nghệ xử lý vi sinh (bằng phương pháp lọc màngUF)

Hình 9. Sơ đồ vận chuyển các chất trong nước qua màng siêu lọc (UF)

Các màng siêu lọc có cấu trúc mếm không đối xứng, kíchthước lỗ rỗng từ 0,001-0.1mm, hoạt động dưới áp thông thườngtừ 10-200psi; cho phép lọc được các chất keo, chất rắn hòatan có kích thước nhỏ và các phần tử như vi khuẩn, vi sinh,protein có khối lượng mol nhỏ, …

Lưu lượng trong quá trình diễn ra ở màng lọc UF phụ thượcnhiều vào hàm lượng chất keo bởi 2 lý do cơ bản sự phân cựcvà bịt lỗ rỗng, các chất keo là nguyên nhân chính là giảm lưulượng và tạo áp lực truyền qua màng tăng cao. Sự vượt quánồng độ của các chất hòa tan ở gần màng lọc gây lên hiệuwungs làm tăng đáng kể áp suất thẩm thấu và sức đề kháng lạiviệc vận chuyển của các phần tử. Để tăng lưu lượng qua màngnên áp dụng phương pháp lọc tiếp tuyến

Đối với hiện tượng bịt lôc kín rỗng của màng UF do hìnhthành lớp cặn keo trên bề mặt màng, hay do sự hấp phụ cácchất hòa tan khác và các chất keo quá nhỏ trong các lỗ rỗng,hiên tượng này cần xử lý bằng các hóa chất phù hợp. Do vậyđối với các mỗi ứng dụng ta càn lựa chọn một vật liệu màngthích hợp, sao cho nó ít nhạy cảm với sự lắng đọng các chấthòa tan và dễ dàng loại bỏ chúng bằng thủy lực [18]

3.2.1. Sơ đồ công nghệ

14

Màng UF

Hình 10. Sơ đồ công nghệ màng siêu lọc (UF)

3.2.2. Cấu tạo

Hệ siêu lọc UF gồm 5 phần chính: + Túi lọc 25 (m3/h) : Bên trong là các cột lọc Catridge5 micromet để loại bỏ cặn và các hạt kích thước lớn hơn5μm.Nhằm tránh tắc cho hệ siêu lọc UF phía sau.

Kích thước túi lọc :- Chiều cao : C = 1375 mm- Chiều cao cửa ra : A =

120 mm- Chiều cao cửa vào : B =

220 mm- Đường kính túi lọc : D =

250 mm- Áp lực tối đa cho phép :

6 atm- Vật liệu : SUS316

Hình 11. Túi lọc

+ Cột lọc UF :

15

Đặc điểm :- Có bao gồm 4 cửa, trong

đó : Cửa vào Cửa ra Cửa xả dịch lọc Cửa tuần hoàn lưu lượng

lọc

Hình 12. Cột lọc UF

+ Bơm cấp nước vào, đồng hồ đo áp, flowmeter, vanđiện từ, van điều chỉnh lưu lượng cùng với hệ thống ống bằngteflon chịu áp suất cao : Cung cấp nước cho hệ thống và tạoáp qua màng vi lọc.

+ Giá đỡ hệ lọc UF: Làm bằng nhôm được anot hóa bề mặtdùng để làm giá đỡ cho cột lọc, hệ thống đường ống.

16

Hình 13. Giá đỡ cột lọc UF

+ Điện điều khiển hệ thống lọc UF4. Vận hành

Trước khi chạy hệ thống siêu lọc UF phải kiểm tra điện, van

điện từ và hệ thống đường ống. Thiết bị ở trạng thái tắt,

các van ở vị trí đóng.Sau đó đóng atomat tổng trong tủ điện

điều khiển và bắt đầu chạy hệ thống.

+ Lọc UF- Bật công tắc mở van điện từ VĐT4, VĐT6.

- Bật bơm cấp nước vào hệ thống lọc UF.

- Bật bơm định lượng cấp Clo trích vào trên đường ống rasau UF, cấp vào bể chứa nước sạch.

- Kiểm tra đồng hồ áp ĐHA1, ĐHA2 ( Yêu cầu áp lực ở ĐHA1<6atm, ĐHA2< 2atm).

- Kiểm tra lưu lượng đầu vào và đầu ra của hệ thống lọc UF(FL1, FL2).

17

- Điều chỉnh van VĐC1 dựa vào 2 flowmeter để tuần hoàn nướcvào UF trở lại sao cho lưu lượng đầu ra là 500 m3/ngày(FL2).

- Bật bơm MB4 cấp nước sạch ra ngoài mạng lưới tiêu dùngnước.

Quy trình : Nước đầu vào được bơm qua túi lọc, sau đó qua hệ

siêu lọc UF và đưa về bể chứa nước sạch.Trên đường ống sau

UF về bể chứa nước sạch có cấp Clo để khử trùng nước trước

khi bơm cấp vào mạng lưới tiêu dùng nước.

+ Rửa xuôi hệ lọc UF:- Ngắt hệ thống điện cấp vào hệ lọc UF.

- Bật công tắc mở van điện từ VĐT4, VĐT7.

- Bật bơm cấp nước vào hệ thống lọc UF.

- Kiểm tra đồng hồ áp ĐHA1, ĐHA2 ( Yêu cầu áp lực ở ĐHA1<6atm, ĐHA2< 2atm).

- Rửa xuôi màng siêu lọc UF được tiến hành hàng ngày trong

vòng 10 phút

- Sau khi rửa xuôi hệ siêu lọc UF chuyển hệ thống về vận

hành lọc bình thường.

Quy trình : Nước đầu vào được bơm qua túi lọc, sau đó qua hệ

siêu lọc UF.Tại đây, nước sẽ xối rửa các cặn bẩn phía bề

ngoài bám trên màng UF và đưa về hố thu bùn.

+ Rửa ngược hệ lọc UF :

- Ngắt hệ thống điện cấp vào hệ lọc UF.

- Bật công tắc mở van điện từ VĐT4, VĐT5, VĐT7, VĐTK1.

18

- Bật bơm MB3 cấp nước từ bể chứa nước sạch vào hệ thốnglọc UF.

- Bật máy thổi khí MTK2 cấp khí vào đường ống bơm cấp nướcđi rửa lọc.

- Kiểm tra đồng hồ áp ĐHA3 ( Yêu cầu áp lực ở ĐHA3< 2atm).

- Rửa ngược màng siêu lọc UF được tiến hành 1 tuần 1 lần và

trong vòng 30 phút, ngoài ra khi đồng hồ áp ĐHA2 > 1,5

atm thì phải tiến hành rửa ngược.

- Sau khi rửa ngược hệ siêu lọc UF chuyển hệ thống về vận

hành lọc bình thường.

Quy trình : Nước tiến hành rửa ngược hệ màng siêu lọc UF được

lấy từ bể chứa nước sạch. Ngoài ra, song song với việc cấp

nước sạch thì có thêm hệ cấp khí cùng lúc đi sục rửa hệ màng

siêu lọc.Chất lượng màng siêu lọc sau khi được rửa bằng cả

khí và nước đạt hiệu quả cao.Nước sau khi sục rửa màng siêu

lọc UF được đưa về hố thu bùn.

Tài liệu tham khảo1. Nguyễn Khắc Hải, Đặng Minh Ngọc, Chander Badloe, Nguyễn Quý

Hòa (2004), Tình hình ô nhiễm Asen trong nguồn nước ngầm tại 3 xã Hòa Hậu,Vĩnh Trụ, Bồ Đề - Hà Nam, Hội nghị khoa học lần thứ III trường Đạihọc Khoa Học Tự Nhiên, Khoa học - công nghệ môi trường vàphát triển bền vững, Hà Nội, 11 – 2004, tr. 1- 7.

2. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kỹ thuật xử lý nước vànước thải, NXB Thống Kê Hà Nội.

3. Lò Văn Huynh, Lê Văn Cát, Mai Xuân Quỳ (2001), “Hấp phụ p-nitrophenol trên cột than hoạt tính”, Tạp chí hóa học, số 3, 5 –9.

19

4. Vũ Đình Thảo (2007), Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Asen trênquặng Pyrolusite (MnO2), Luận văn thạc sĩ, trường Đại học Khoa HọcTự Nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.

5. Đàm Văn Vệ (2006), Nghiên cứu khả năng xử lí Asen trong nước ngầm bằngquá trình oxy hóa hấp phụ, Luận văn thạc sĩ khoa học.

6. Trần Đức Hạ, Bài giảng xử lý nước thải bằng phương pháp lọcmàng.

7. Thorsen, T.: ”Fundamental Studies on Membrane Filtration ofColoured Surface Water”, Ph.D. thesis, NTNU, Trondheim,November 1999.

8. American Water Works Association ( 1999 ), Water quality andtreatment. Publisher: McGraw-Hill, Inc.

9. Shun Dar Lin ( 2007 ), Water and wastwater caculation manual.Publisher: McGraw-Hill, Inc.

10. Richard W. Baker (2004) Membrane Technology and Applications,2nd Edition,Wiley, p143

11. C.J.M. Van Rijn ( 2005 ), Nano and micro engineeredmembrane technology. Publisher: Elsevier Science & TechnologyBooks.

12. Rajindar Singh ( 2006 ), Hybrid Membrane SystemsforWater Purification. Publisher: Elsevier Science &Technology Books.

13. Simon Judd and Bruce Jefferson ( 2006 ), Membranes forIndustrial Wastewater Recovery and Re-use. Publisher:Elsevier Science & Technology Books.

14. Yoshinobu Tanaka ( 2007 ), Ion exchange membranes.Publisher: Elsevier Science & Technology Books.

15. Richard D. Noble and S. Alexander Stern ( 2003 ),Mambrane separations technology. Publisher: Elsevier Science& Technology Books.

16. Stephen Chesters (2010), Recent Innovations to keep membranesclean. World Water Congress & Exhibition, Montreal 19-24September

20

17. U.S . DEPHRTMENT OF THE INTERIOR, Bureau of ReclamationDenver Offlce, Technical Service Center, EnvironmentalResources Team, Water.

18. Nicholas P. cherimisinof, 2002. Membrane seperation technology. in. Handbook of water and wastewater treatment technology. Boston:Better worth and Heinemann.

21