Khử muối

Tiểu sử 

Vấn đề độ mặn ngày càng trở nên phổ biến trong các chương trình của Oxfam. Một số nguồn nước ngầm vốn có độ mặn tự nhiên. Tuy nhiên, biến đổi khí hậu và tần suất hạn hán gia tăng đang làm giảm lượng nước ngầm được bổ sung và dẫn đến sự suy giảm chất lượng nước ở một số khu vực. Ở những nơi khác, quản lý kém và thiếu quy định đang dẫn đến việc khai thác quá mức và sự xâm nhập của nước biển (ở các khu vực ven biển) hoặc hiện tượng "trào ngược" nước lợ bị mắc kẹt trong đá từ khi chúng được hình thành. Một khi tầng chứa nước bị ô nhiễm theo cách này thì không thể phục hồi được.

Oxfam không có bộ dụng cụ khử muối tại Trung tâm Cung ứng của mình vì các nguồn nước khác nhau đòi hỏi sự kết hợp khác nhau giữa các bước tiền xử lý, xử lý và xử lý sau, cần đến tư vấn chuyên môn. Tài liệu này nhằm cung cấp hướng dẫn thực tiễn về các yếu tố cần xem xét khi lập kế hoạch xây dựng hệ thống khử muối. 

Tổng quan về khử muối

Trọng tâm của nghiên cứu “Lộ trình” là đưa ra các khuyến nghị cho các cơ sở khử muối quy mô nhỏ. Báo cáo kết luận rằng: i) Phương pháp chưng cất bằng năng lượng mặt trời (SSD) là lựa chọn tốt nhất cho hộ gia đình cá nhân do chi phí đầu tư thấp và tính đơn giản; ii) Thẩm thấu ngược (RO) là công nghệ hiệu quả nhất cho các cơ sở quy mô nhỏ (được định nghĩa là 1-10 m³/ngày nhưng khuyến nghị này cũng phù hợp với các hệ thống lớn hơn); và iii) Khử ion bằng điện dung (CDI) là một công nghệ mới nổi đầy triển vọng và đáng được xem xét đối với nguồn nước thô có độ mặn dưới 3,500 ppm TDS như một giải pháp thay thế cho RO (nghiên cứu sâu hơn đã xác nhận rằng hiệu suất của các thiết bị CDI thương mại hiện có giảm đáng kể khi độ mặn trên 1,000 ppm, hạn chế ứng dụng của nó). 

Đo lường và phân loại độ mặn  

Độ mặn đề cập đến nồng độ các muối hòa tan trong nước. Tất cả các nguồn nước tự nhiên đều chứa một số muối hòa tan như natri, magiê và canxi. Natri clorua là loại muối phổ biến nhất. Không có hướng dẫn nào của WHO về độ mặn dựa trên sức khỏe và vị của nước thường sẽ khó chịu trước khi đạt đến mức gây hại cho sức khỏe. Độ mặn có thể được đo bằng độ dẫn điện (EC) – được biểu thị bằng μS/cm, hoặc tổng chất rắn hòa tan (TDS) – được biểu thị bằng mg/l hoặc ppm. Tỷ lệ chuyển đổi giữa hai đơn vị này không cố định và phụ thuộc vào thành phần hóa học của nước, tuy nhiên 0.67 thường được sử dụng làm hệ số chuyển đổi, tức là nước có TDS khoảng 2,000 mg/l tương đương với EC khoảng 3,000 μS/cm. Trong tài liệu kỹ thuật này, độ mặn được biểu thị bằng TDS.  

Không có sự thống nhất chung về định nghĩa nước có độ mặn thấp, trung bình và cao, và mức độ chấp nhận sẽ khác nhau giữa người tiêu dùng, quốc gia và tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Do đó, bảng dưới đây chỉ nên được sử dụng như một hướng dẫn sơ bộ. Đối với tiêu dùng của con người, 1,000mg/l TDS thường được sử dụng làm giới hạn cho những gì có thể được phân loại là nước ngọt. Nước biển có TDS điển hình là 35,000mg/l.  

0 - 1,000	Thích hợp cho mọi mục đích thông thường
1,000 - 3,000	Thích hợp cho chăn nuôi, nhưng không thích hợp cho người tiêu dùng.
3,000 - 5,000	Thích hợp cho gia súc, không thích hợp cho người tiêu dùng.
5,000 - 7,000	Thích hợp cho lạc đà, nhưng không mấy phù hợp cho các loại gia súc khác.
7,000 - 10,000	Thích hợp cho lạc đà, tạm ổn cho dê và cừu, không thích hợp cho gia súc.
10,000-15,000	Thích hợp cho lạc đà, chỉ dùng trong trường hợp khẩn cấp cho dê và cừu.
> 15,000	Không thích hợp cho bất kỳ động vật nuôi nào.

Các giải pháp thay thế cho phương pháp xử lý RO

Các lựa chọn không điều trị  

Trước những thách thức liên quan đến việc vận hành và bảo trì thành công một nhà máy khử muối, nếu có thể tránh được quá trình xử lý để loại bỏ muối hoặc các chất gây ô nhiễm hóa học khác thì có thể xem xét các giải pháp thay thế. Các lựa chọn bao gồm pha trộn với nước có độ mặn thấp hơn hoặc phát triển các nguồn nước mới, nếu có nguồn nước ngọt. Điều này có thể dẫn đến việc bơm và dẫn nước từ khoảng cách xa. Trong những trường hợp như vậy, có thể tiến hành phân tích tính khả thi và chi phí để xác định giải pháp nào mang lại hiệu quả tốt nhất. 

Máy chưng cất năng lượng mặt trời 

Máy chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời là một công nghệ rất đơn giản dựa trên sự bay hơi và thu gom các giọt nước ngưng tụ. Nó không cần điện hoặc bất kỳ bộ phận cơ khí hay chuyển động nào, do đó chi phí vận hành rất thấp. Nó có hiệu quả như nhau đối với nước có độ mặn thấp và cao. Máy chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời có thể phù hợp với nhu cầu nước uống của các hộ gia đình ở vùng nông thôn, nhưng vì sản lượng thấp, khi số lượng người dùng và nhu cầu tăng lên, nó nhanh chóng trở nên không kinh tế và cũng không thực tế do yêu cầu về không gian lớn.  

Năm 2013, Oxfam đã thử nghiệm hai thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời Fcubed Carrocell 3000 tại Bangladesh. Đây là mẫu lớn nhất trong ba mẫu được sản xuất (với diện tích bề mặt 3m2) và công ty tuyên bố rằng nó có thể cung cấp 20 lít nước mỗi ngày (dưới 30 độ C). Tại Bangladesh, thiết bị này cung cấp nước chất lượng tốt nhưng chỉ từ 8 đến 15 lít mỗi ngày và trên cơ sở đó, thử nghiệm đã bị dừng lại mà không được mở rộng quy mô. Oxfam Kenya đã xem xét việc giới thiệu thiết bị tương tự trong Chương trình Turkana của mình nhưng chi phí 450 đô la Mỹ mỗi hộ gia đình là một rào cản lớn đối với việc nhân rộng. Một số thiết bị có thể được lắp đặt như một phần của mô-đun lớn hơn nhưng chi phí và không gian cần thiết tăng lên gần như tuyến tính.  

Phòng thí nghiệm Sáng tạo Iraq đã hợp tác với Aquaba với mục tiêu sản xuất thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời tại địa phương. Công ty này sản xuất một thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời có giá 150 đô la (diện tích bề mặt 1m2) và tuyên bố có thể sản xuất tới 5 lít nước mỗi ngày.

Có thể tự chế tạo các thiết bị chưng cất năng lượng mặt trời bằng vật liệu địa phương – kính hoặc thậm chí tấm nhựa với chi phí thấp hơn nhiều so với sản phẩm thương mại, nhưng hiệu suất sẽ giảm tương ứng, vì vậy đây có thể là một sự tiết kiệm không hiệu quả.    

Mặc dù là công nghệ đơn giản nhất, nhưng giá thành mỗi lít nước từ máy chưng cất năng lượng mặt trời lại khiến nó trở thành công nghệ khử muối đắt nhất. Máy chưng cất năng lượng mặt trời có "chỗ đứng" riêng nhưng không phù hợp cho các hoạt động ứng phó khẩn cấp về nước sạch và vệ sinh (WASH) khi Oxfam cần cung cấp nước cho cộng đồng trên quy mô lớn.

Khử ion bằng điện dung (CDI) 

Công nghệ CDI sử dụng dòng điện một chiều điện áp thấp và các điện cực để tạo ra lực tĩnh điện, từ đó điều khiển các ion mang điện tích dương và âm tách thành hai dòng nước mặn và nước ngọt riêng biệt. 

Đối với nước có độ mặn thấp, công nghệ CDI tiêu thụ ít năng lượng hơn so với RO và có tỷ lệ thu hồi nước tốt (trên 80%). Các tế bào CDI cũng được cho là ít bị hư hại hơn màng RO, nhưng vẫn cần xử lý sơ bộ để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ, nếu không sẽ làm tắc nghẽn các mô-đun. Theo nghiên cứu Lộ trình, Oxfam đã thảo luận với một số công ty và/hoặc cá nhân hàng đầu chuyên về công nghệ CDI. Tại thời điểm viết bài này, các hệ thống CDI thương mại hiện có dường như chỉ có thể xử lý nước thô với giới hạn TDS là 2,000 ppm trở xuống, điều này hạn chế nghiêm trọng phạm vi sử dụng công nghệ và do đó, tính hữu ích của chúng trong các chương trình của Oxfam.

Thẩm thấu ngược (RO) 

Thẩm thấu ngược (RO) là một quá trình khử khoáng và khử ion nước bằng cách đẩy nước dưới áp suất qua màng bán thấm “thẩm thấu ngược”, cho phép một số nguyên tử và phân tử đi qua (dưới dạng nước thấm) trong khi ngăn chặn những chất khác (nước bị loại bỏ/nước muối) – Đối với hệ thống xử lý nước quy mô cộng đồng, RO hiện là lựa chọn khả thi duy nhất cho các chương trình của Oxfam. Nguyên lý cơ bản về mặt cơ học liên quan đến RO khá đơn giản, tức là sử dụng máy bơm điện để tạo ra áp suất nước đủ để đẩy các phân tử nước qua màng (áp suất xuyên màng để đạt được điều này dao động từ 5 bar đối với nước có độ mặn thấp đến 84 bar đối với nước biển). Tuy nhiên, nhiều giai đoạn tiền xử lý để loại bỏ các tạp chất trong nước không tương thích với màng RO, việc chăm sóc cần thiết để bảo dưỡng màng, và quá trình tái khoáng hóa và khử trùng bằng clo sau xử lý để tránh tái nhiễm bẩn, tất cả làm cho hệ thống RO trở nên khá phức tạp. Để đưa ra quyết định sáng suốt về việc RO có phù hợp hay không, điều quan trọng là phải có ít nhất sự hiểu biết cơ bản về các nguyên tắc hoạt động.  

các thuật ngữ liên quan đến RO

Màng RO – các màng hiện đại thường là màng composite mỏng gồm 3 lớp: một lớp nền polyester, một lớp xen kẽ vi xốp và một lớp chắn polymide siêu mỏng. Chúng được xếp chồng lên nhau theo cấu hình xoắn ốc của các “lá”, mỗi lá được tạo thành từ hai tấm màng dán lại với nhau, có một lớp đệm thẩm thấu ở giữa (hình 3).  

Một phần nước cấp – thường là 10-20% – đi qua màng lọc và thoát ra ngoài dưới dạng nước thẩm thấu. Có nhiều loại màng lọc khác nhau để phù hợp với các mục đích, loại nước cấp và nước thẩm thấu yêu cầu khác nhau. “Dow”, nhà sản xuất màng lọc RO “Filmtech”, có ba loại chính sau:

Lớp màng	Phạm vi (TDS)
Nước máy (TW)	Lên đến 2,000mg/l
Nước lợ (BW)	Lên đến 12,000mg/l
Nước biển (Tây Nam)	8,000-50,000mg/l

Loại và cấp màng lọc sẽ phụ thuộc vào thành phần hóa học của nước cấp và nên được xác định bởi các chuyên gia về thẩm thấu ngược (RO). Màng lọc RO có kích thước tiêu chuẩn nên các nhãn hiệu khác nhau có thể thay thế cho nhau. Quy tắc đặt tên tiêu chuẩn như sau: Cấp (TW, BW, SW), Họ phần tử – đường kính (inch x 10), Chiều dài (inch)

Ví dụ, màng lọc trên được Oxfam lắp đặt ở Kenya dành cho nước lợ (BW), loại phần tử có khả năng loại bỏ cao (30), đường kính 4 inch (40), chiều dài 40 inch (40).

Màng lọc là bộ phận đắt tiền và nhạy cảm nhất của hệ thống xử lý RO và nếu không được bảo dưỡng đúng cách, chúng có thể bị hư hỏng rất dễ dàng.

Bình chịu áp suất – một bình chịu áp suất có thể chứa nhiều màng RO, thường từ 1 đến 6 màng. Có thể bố trí nhiều bình chịu áp suất song song để tăng thể tích nước thẩm thấu được giảm áp. Có thể bố trí thêm các “giai đoạn” (hoặc “lượt lọc”) nối tiếp để tăng hiệu suất thu hồi. 

Hiệu suất thu hồi/lưu lượng (%) – thể tích nước đi qua màng RO dưới dạng “nước thẩm thấu” (nước ngọt đã qua xử lý). Hiệu suất thu hồi lên đến 90% là khả thi với các hệ thống RO xử lý nước lợ. Tuy nhiên, chi phí và độ phức tạp của hệ thống sẽ tăng lên tương ứng do cần áp suất vận hành cao hơn, nguy cơ đóng cặn trên màng tăng lên và cần thêm các yêu cầu vận hành và bảo trì. Các hệ thống RO cỡ nhỏ đến trung bình được Oxfam sử dụng thường có hiệu suất thu hồi tối đa là 70%.

Tỷ lệ chất thải/chất cô đặc (%) – là lượng chất tan hoặc tổng chất rắn hòa tan không thể đi qua màng lọc và tạo thành dòng nước muối. Tùy thuộc vào nồng độ muối, có thể sử dụng phần này cho các mục đích không tiêu hao như rửa và làm sạch. Nếu không, cần xem xét phương án xử lý an toàn. Tổng của phần thu hồi và phần chất thải bằng lưu lượng nước cấp.

Các giai đoạn – Trong hệ thống một giai đoạn, nước cấp đi qua bình áp suất một lần để tạo ra dòng nước thẩm thấu và dòng nước thải riêng biệt. Đối với nước lợ, có thể sử dụng nhiều giai đoạn để tăng hiệu suất thu hồi, với hiệu suất thu hồi tối đa là 50% từ mỗi giai đoạn. Trong hệ thống hai giai đoạn, nước thải từ giai đoạn 1 trở thành nước cấp cho bình áp suất giai đoạn thứ hai và nước thu hồi từ giai đoạn 2 được cộng vào nước thẩm thấu từ giai đoạn 1. Giả sử hiệu suất thu hồi là 50% ở mỗi giai đoạn, hiệu suất thu hồi tổng thể là 75% và tỷ lệ thải là 25%.

Hệ thống mảng – thuật ngữ này mô tả cách bố trí vật lý của các bình chịu áp lực trong hệ thống hai cấp. Bởi vì lượng nước đi vào cấp thứ hai, hoặc thậm chí cấp thứ ba, ít hơn cấp trước đó. Đối với các hệ thống lớn, nhiều bình chịu áp lực sẽ được bố trí song song thành các "chồng" (stack), với các chồng bình tiếp theo được nối tiếp và thu hẹp dần. Một hệ thống mảng 2:1 có thể có 4 bình cấp nước vào 2 bình.

Tái chế nước cô đặc – như một lựa chọn tiết kiệm chi phí hơn so với việc có giai đoạn xử lý thứ hai, một phần nước muối thải có thể được tuần hoàn và thêm vào nước cấp để tăng hiệu suất thu hồi của hệ thống.

Hiện tượng đóng cặn – hiện tượng này xảy ra khi một số hợp chất hòa tan (vô cơ) trở nên đậm đặc hơn. Loại cặn phổ biến nhất là do canxi cacbonat (CaCO3). Hiện tượng đóng cặn xảy ra khi giới hạn độ hòa tan bị vượt quá, các hợp chất kết tủa khỏi dung dịch và bám trên màng lọc. Đóng cặn làm giảm đáng kể hiệu suất do làm tắc nghẽn màng lọc, dẫn đến lưu lượng nước thấm qua màng thấp hơn và chất lượng nước thấm qua màng kém hơn. Một hệ thống được thiết kế tốt sẽ giảm thiểu khả năng bị đóng cặn, có thể cần thêm chất chống đóng cặn (xử lý sơ bộ) vào nước cấp.

Hiện tượng tắc nghẽn màng lọc – xảy ra do sự tích tụ các chất rắn, chất hữu cơ hoặc vi sinh vật làm tắc nghẽn màng lọc. Cần có phương pháp xử lý sơ bộ hiệu quả để loại bỏ các chất hữu cơ và vi sinh vật có hại, cùng với thiết kế tốt để đảm bảo tốc độ dòng nước chảy qua màng lọc đủ mạnh để “quét sạch” các muối và ngăn ngừa sự tích tụ, tắc nghẽn bề mặt màng lọc.

Tấn công hóa học – Màng mỏng hiện đại không chịu được clo và các chất oxy hóa khác, nếu không được loại bỏ sẽ gây cháy thủng các lỗ trên màng và gây hư hỏng không thể khắc phục.

Vệ sinh tại chỗ (CIP) – bao gồm việc định kỳ thêm dung dịch hóa học vào bình áp suất, chẳng hạn như axit citric, để làm sạch màng lọc mà không cần tháo chúng ra và bảo vệ chống lại sự bám bẩn và đóng cặn. Hệ thống CIP cũng có thể được sử dụng để thêm chất bảo quản hóa học nhằm bảo vệ màng lọc. Điều này là cần thiết nếu hệ thống không được sử dụng trong vài ngày để bảo vệ khỏi bị hư hỏng.

Điều trị trước

Loại và thành phần hóa học của nước cấp sẽ quyết định phương pháp xử lý sơ bộ cần thiết. Các biện pháp phổ biến bao gồm:

Hệ thống lọc đa tầng (MMF) giúp ngăn ngừa tắc nghẽn bằng cách loại bỏ các hạt có kích thước nhỏ đến 15-20 micron. Thông thường, một bộ lọc cartridge 5 micron sẽ được đặt sau hệ thống MMF để ngăn chặn sự xâm nhập của vật liệu lọc.

Lọc vi mô (MF) loại bỏ hiệu quả các chất keo và vi khuẩn. Màng lọc rỗng được sử dụng phổ biến nhất và cần được rửa ngược định kỳ.

Chất chống cáu cặn/chất ức chế cáu cặn – Bằng cách thêm chất chống cáu cặn vào nước cấp, nó làm tăng giới hạn độ hòa tan của nước và ngăn ngừa sự kết tủa của các muối dẫn đến hình thành cáu cặn. Việc lựa chọn chất chống cáu cặn và liều lượng chính xác phụ thuộc vào thành phần hóa học của nước cấp và thiết kế hệ thống RO.

Xử lý bằng tia cực tím (UV) tiêu diệt vi khuẩn, ngăn ngừa sự phát triển và làm tắc nghẽn màng lọc.

Điều trị sau

Một hệ thống lọc RO hoạt động tốt thường loại bỏ được 95-99% các chất gây ô nhiễm. Nước tinh khiết này có vị nhạt vì nó không chỉ bị loại bỏ các muối có hại hoặc dư thừa mà còn cả các khoáng chất thiết yếu. Cần phải cân bằng lại sau khi xử lý để bổ sung khoáng chất và khôi phục các khoáng chất thiết yếu cho nước. Nước cũng cần được khử trùng bằng clo.

Các yếu tố chính cần xem xét khi đánh giá RO

Có ba yếu tố quan trọng cần xem xét để xác định xem phương pháp khử muối bằng thẩm thấu ngược có phù hợp hay không.

1. Chi phí và khả năng chi trảCác hệ thống khử muối được cho là đắt tiền nhưng chi phí đã giảm đáng kể trong những năm gần đây. Năng lượng mặt trời PV cung cấp một nguồn năng lượng khả thi, rẻ hơn và thân thiện với môi trường hơn so với nhiên liệu hóa thạch, giúp giảm chi phí vận hành. Chi phí màng lọc cũng đã giảm trong những năm gần đây và với sự xuất hiện của các nhà cung cấp mới trên thị trường, các giải pháp chất lượng cao với giá cả phải chăng hiện đã có sẵn, nhắm đến thị trường phát triển nhân đạo. Nước được cung cấp thông qua hệ thống RO có chi phí cao hơn đáng kể, nhưng ở những nơi khan hiếm nước, đây có thể là giải pháp dài hạn rẻ hơn nhiều so với việc vận chuyển nước bằng xe bồn thường xuyên như ở Somalia, Ethiopia, Yemen và nhiều nơi khác. 
2. Độ phức tạp về mặt kỹ thuật.  Hệ thống RO có thể được coi là công nghệ xử lý nước tiên tiến nhất hiện có cho hệ thống cấp nước. Khi được phân tích thành các bộ phận cấu thành, một người vận hành được đào tạo bài bản có thể quản lý được các giai đoạn tiền xử lý, màng lọc áp suất cao và hậu xử lý. Tuy nhiên, việc không tuân theo các quy trình tuần tự cần thiết hoặc những lỗi đơn giản như không mở đúng van hoặc không thực hiện việc xả rửa định kỳ có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Điều này còn chưa kể đến các vấn đề vận hành và bảo trì thông thường liên quan đến bất kỳ hệ thống cấp nước nào.  Do đó, chúng tôi đặc biệt khuyến cáo rằng hệ thống RO không phù hợp cho việc quản lý cộng đồng.  Một hệ thống RO bền vững cần được hỗ trợ kỹ thuật chuyên nghiệp, ví dụ như hợp đồng bảo trì và sửa chữa định kỳ, và sự giám sát kỹ thuật liên tục, những yêu cầu thường thấy ở các công ty cấp nước hoặc các đơn vị cung cấp nước tư nhân.   
3. Tiết kiệm nước: – Một hệ thống RO được thiết kế và bảo trì tốt sẽ có hiệu suất thu hồi nước từ 60 đến 70%. Các vấn đề về đóng cặn/bám bẩn có thể làm giảm hiệu suất hơn nữa. Ở giai đoạn lập kế hoạch, cần xem xét tìm cách sử dụng hiệu quả lượng nước thải từ 30-40% (có thể nhiều hơn). Ở các vùng khô hạn và bán khô hạn, lượng nước thải đáng kể từ việc bơm nước ngầm có thể không được chính quyền chấp nhận và gây hại cho môi trường. Nước thải vẫn có thể hoàn toàn được chấp nhận cho các mục đích sinh hoạt không tiêu thụ như giặt giũ và vệ sinh. Ngoài ra còn có các loại cây trồng chịu mặn có thể được tưới bằng nước thải. Somaliland đang xem xét liệu các hệ thống RO có thể tạo ra các trang trại nuôi cá và các cơ hội sinh kế mới hay không.  

RO chạy bằng năng lượng mặt trời

Hệ thống quang điện (PV) cung cấp giải pháp cho chi phí năng lượng cao liên quan đến quá trình khử muối. Cần có những điều chỉnh thiết kế cụ thể để tối ưu hóa hệ thống RO khi được cấp điện bằng PV, vì vậy không phải thiết bị RO nào cũng có thể được đấu nối trực tiếp với máy phát điện PV có công suất tương đương với máy phát điện diesel. Không giống như bơm nước bằng năng lượng mặt trời có sản lượng thay đổi (nhưng được ổn định bằng cách đảm bảo đủ dung lượng lưu trữ), các nhà máy RO hoạt động hiệu quả nhất khi vận hành liên tục (và ở áp suất và lưu lượng liên tục) được cung cấp bởi điện lưới hoặc máy phát điện diesel. 

Các biện pháp có thể bao gồm sử dụng bơm thể tích dương, loại bơm này có xu hướng duy trì áp suất trong phạm vi công suất đầu vào rộng hơn so với bơm ly tâm. Động cơ tốc độ biến đổi, thường thấy trong tất cả các loại bơm năng lượng mặt trời, cung cấp khả năng khởi động/dừng nhẹ nhàng và giảm nguy cơ ứng suất cơ học tác động lên màng lọc. Bình áp suất có thể đóng vai trò như một bộ đệm để bù đắp cho những khoảng thời gian mây che phủ ngắn hạn, nhưng điều này làm tăng chi phí tổng thể và đòi hỏi hệ thống điện tử thông minh trong bộ điều khiển. Pin là một lựa chọn khác, nhưng cũng giống như các hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời thông thường, pin không được khuyến khích sử dụng do chi phí cao, hiệu suất giảm dần theo thời gian và tuổi thọ hạn chế.

Các nhà cung cấp thương mại hiện có – Ngày càng có nhiều nhà cung cấp chuyên về các giải pháp lọc nước thẩm thấu ngược bằng năng lượng mặt trời và tuyên bố sở hữu bằng sáng chế giúp tối ưu hóa sản phẩm của họ cho hệ thống quang điện, tạo sự khác biệt so với các nhà cung cấp khác – Boreal Light , Mascara , Solar Water Solutions , Swiss Fresh Water và Trunz là một số nhà cung cấp quốc tế nổi tiếng.

Hiện tại, Oxfam chưa có kinh nghiệm thực tế và dữ liệu từ các hệ thống khác nhau, do đó rất khó để so sánh hiệu suất hoặc phân biệt đâu là sự khác biệt kỹ thuật thực sự so với những chiêu trò tiếp thị khéo léo. Điều này gây khó khăn trong việc xác định hiệu suất hoặc giá trị gia tăng của việc nhập khẩu một hệ thống xử lý nước RO được thiết kế và lắp ráp tại châu Âu so với một hệ thống sử dụng các linh kiện cùng thương hiệu nhưng được thiết kế và lắp ráp với chi phí thấp hơn trong nước. Tuy nhiên, điều khá chắc chắn là một hệ thống xử lý nước RO được thiết kế và tối ưu hóa để hoạt động bằng năng lượng mặt trời sẽ hiệu quả hơn một hệ thống RO thông thường được thiết kế để hoạt động bằng nguồn điện ổn định liên tục. Do đó, điều quan trọng là phải hỏi các nhà cung cấp về cách thức hệ thống được điều chỉnh để sử dụng năng lượng mặt trời và liệu dữ liệu hiệu suất đã nêu – sản lượng và hiệu suất hàng ngày – có tính đến ngày nắng và tính mùa vụ hay không. Về sản lượng, thông thường công suất đầu ra được thể hiện dựa trên giả định hoạt động liên tục 24 giờ, vì vậy điều quan trọng là phải làm rõ điều này. Các yếu tố khác cần xem xét ngoài chi phí, sản lượng và hiệu suất là chất lượng của các linh kiện được sử dụng (ví dụ: Dow, Pentair, GE là những thương hiệu màng lọc và bình áp suất uy tín).  

Tất cả các hệ thống PV nên là hệ thống lai và có khả năng hoạt động bằng nguồn điện dự phòng thứ cấp để kéo dài thời gian hoạt động hoặc thay thế năng lượng mặt trời trong thời gian nhiều mây.

Chi phí ước tính – Một hệ thống RO “cắm và chạy” hoàn chỉnh dạng container tích hợp pin mặt trời, có khả năng sản xuất 1.7 m³/giờ (10 m³/ngày nắng) do Somaliland mua (năm 2020) có giá 50,000 € (chưa bao gồm vận chuyển). Chi phí ước tính cho một hệ thống lớn hơn với công suất 10 m³/giờ (50 m³/ngày nắng) là 130,000 €. Các mức giá này dựa trên nước lợ có hàm lượng TDS dưới 6,000 ppm. Chi phí của các hệ thống xử lý nước biển với hàm lượng TDS từ 33,000 ppm trở lên – được chế tạo theo tiêu chuẩn cao hơn để chịu được áp suất hoạt động lớn hơn – sẽ cao hơn đáng kể.

Kinh nghiệm thực địa của Oxfam với RO

Việc thu thập thông tin về vị trí và hiệu suất hoạt động của các nhà máy khử muối hiện có của Oxfam gặp nhiều khó khăn. Một số đã được bàn giao cho các đối tác khác, một số không còn hoạt động và một số khác thì không được giám sát và theo dõi sát sao. Do đó, đây không phải là danh sách đầy đủ và khi có thêm các ví dụ và bài học kinh nghiệm mới, danh sách này sẽ được cập nhật.

Somaliland – Hai hệ thống lọc nước thẩm thấu ngược (RO) chạy bằng năng lượng mặt trời đã được lắp đặt tại các làng nông thôn vào năm 2018. Cả hai hệ thống vẫn hoạt động vào năm 2020 nhưng đã gặp phải những thách thức đáng kể trong vận hành. Một số vấn đề đã được xác định ở giai đoạn lập kế hoạch và liên quan đến các thách thức về quản lý và triển khai hơn là bản thân công nghệ. Những vấn đề này bao gồm: i) lựa chọn các địa điểm nông thôn hẻo lánh, nơi khó cung cấp hỗ trợ kỹ thuật liên tục; ii) sự tham gia của cộng đồng chưa đầy đủ, bao gồm cả việc không hiểu nhu cầu và khả năng chi trả; iii) đánh giá thấp và bỏ qua các lời khuyên liên quan đến năng lực/cấu trúc quản lý cần thiết để vận hành hệ thống thành công; iv) vai trò và trách nhiệm không rõ ràng giữa Oxfam, Chính phủ và Cộng đồng hoặc cơ chế giải quyết vấn đề. Các vấn đề kỹ thuật cũng đã xảy ra. Màng lọc bị hỏng và cần được thay thế chỉ trong vòng vài tuần sau khi lắp đặt và cả hai hệ thống đều hoạt động dưới mức kỳ vọng 7,500 lít/ngày năng lượng mặt trời, tạo ra lượng nước thẩm thấu thấp hơn và tỷ lệ loại bỏ cao hơn.

Năm 2020, hai thiết bị bổ sung có công suất cao hơn (10m³/ngày, dựa trên 6 giờ hoạt động bằng năng lượng mặt trời, hiệu suất thu hồi 65%) đã được lắp đặt tại các làng khác. Hy vọng rằng những bài học kinh nghiệm từ hai thiết bị ban đầu sẽ mang lại lợi ích cho các công trình lắp đặt này. Thiết kế kỹ thuật của các thiết bị xử lý đã được thay đổi với việc tăng cường tự động hóa để đơn giản hóa hoạt động và giảm nguy cơ sai sót của con người. Là một phần của quá trình này, các van điều tiết lưu lượng điện tử đã được tích hợp. Nhà cung cấp (Boreal Light) cũng sẽ chịu trách nhiệm vận hành thiết bị trong 12 tháng trước khi bàn giao để đảm bảo mọi vấn đề về hiệu suất được giải quyết. 

Yemen đã mua một hệ thống lọc nước RO năng lượng mặt trời công suất 12m³/ngày từ cùng một nhà cung cấp các hệ thống xử lý nước cho Somaliland (Boreal Light). Hệ thống này đã gặp phải một số vấn đề vận hành ban đầu đáng kể.

Vấn đề chủ yếu không liên quan đến bản thân công nghệ (tỷ lệ nhân viên nghỉ việc cao, thiếu sự giám sát chặt chẽ dẫn đến việc hệ thống xử lý nước quá lớn so với nguồn nước, trong khi nguồn nước được cho là cạn kiệt sau 1-2 giờ bơm). Thay vì nhận được hỗ trợ kỹ thuật kịp thời từ Oxfam, người vận hành hệ thống ở làng đã có thể liên lạc trực tiếp với nhà cung cấp tại Đức qua WhatsApp. Tại thời điểm viết bài này, Oxfam đã giải quyết các vấn đề trước đó và hệ thống đang hoạt động tốt, sản xuất 10m³/ngày với hiệu suất thu hồi nước 60% và tạo ra thu nhập cho làng.

Ít nhất một hệ thống RO khác cũng được lắp đặt ở Bắc Yemen. Thông tin kỹ thuật còn thiếu, ngoài việc hệ thống này không hoạt động vào năm 2019 trong chuyến thăm của cố vấn GHT.

Hướng dẫn và bài học kinh nghiệm

Quá trình khử muối dựa trên công nghệ thẩm thấu ngược (RO) là một quy trình xử lý phức tạp, đòi hỏi chuyên môn cao, vượt xa khả năng của các ủy ban quản lý nước và kỹ thuật viên cấp cộng đồng thông thường. Hệ thống RO cần được quản lý chuyên nghiệp, điều thường thiếu ở những nơi Oxfam hoạt động. Những ví dụ thành công thường thấy nhất ở những nơi hệ thống được vận hành như một doanh nghiệp và có sẵn năng lực kỹ thuật, ví dụ như Gaza.  

Đảm bảo tham vấn đầy đủ trong giai đoạn lập kế hoạch. Cân nhắc sự sẵn lòng và khả năng chi trả trong quá trình lập kế hoạch dự án. Tại Yemen, người dân sẵn sàng trả tiền nước nhưng họ đã quen với việc được cung cấp nước tận nhà. Nhà máy khử muối do Oxfam hỗ trợ cung cấp nước với chi phí rẻ hơn và chất lượng tốt hơn, được đảm bảo so với nước do các nhà cung cấp lưu động cung cấp, nhưng chất lượng dịch vụ không được như nhau vì nhà máy cách xa vài trăm mét. Do đó, nhiều hộ gia đình vẫn tiếp tục sử dụng dịch vụ chở nước bằng xe bồn. Tại Somaliland, một cuộc khảo sát về sự sẵn lòng chi trả đã được thực hiện và dường như xác nhận tính khả thi về kinh tế của hệ thống, tuy nhiên nó không tính đến việc người dân thích nước “ berkad ” (nước mưa được thu gom từ các hồ chứa ngầm). Do đó, trong mùa mưa, nhiều người đã ngừng mua nước khử muối, ảnh hưởng đến tính khả thi về kinh tế của nhà máy lọc nước thẩm thấu ngược (RO), vốn cần phải hoạt động quanh năm để tránh màng lọc bị hư hỏng.

Đảm bảo giám sát dự án và xây dựng năng lực đầy đủ . Hệ thống khử muối mà Oxfam lắp đặt ở Somaliland là hệ thống đầu tiên thuộc loại này trong nước và hiệu quả hoạt động, cũng như hy vọng là sự thành công của dự án, nhằm mục đích cung cấp thông tin cho toàn bộ lĩnh vực WASH (Nước sạch, Vệ sinh và Sức khỏe). Việc giám sát chặt chẽ, vốn rất cần thiết để đảm bảo hỗ trợ kỹ thuật và học hỏi kinh nghiệm, là không thể thực hiện được vì các địa điểm lắp đặt cách văn phòng Oxfam gần nhất vài giờ di chuyển. Cộng đồng đã chọn những người vận hành có trình độ đọc viết thấp và hiểu biết rất ít hoặc không hiểu tiếng Anh, điều này khiến việc đào tạo trở nên khó khăn hơn. Cuối cùng, người ta đã thống nhất thuê những người vận hành trẻ hơn, có trình độ học vấn phổ thông và hiểu biết cơ bản về tiếng Anh.

Cần lập kế hoạch sử dụng/xử lý nước thải ngay từ đầu. Đối với các hệ thống RO được quản lý/vận hành tốt, ít nhất một phần ba lượng nước sản xuất ra sẽ là nước thải mặn hoặc nước loại bỏ. Trong điều kiện bán khô hạn, việc xả loại nước này ra môi trường khó có thể chấp nhận được. Các quốc gia cũng có thể có những hạn chế về môi trường đối với nơi và cách thức xả nước có độ mặn cao. Sau khi tham vấn và đạt được thỏa thuận với cộng đồng, “nước loại bỏ” vẫn có thể phù hợp cho các mục đích không tiêu thụ (giặt giũ và vệ sinh) và thậm chí có thể dùng để nấu ăn, vì vậy nó vẫn có thể được sử dụng hiệu quả nếu được cung cấp với giá ưu đãi hoặc miễn phí. Cũng có những cơ hội sáng tạo để sử dụng nước mặn cho các loại cây trồng chịu mặn hoặc thậm chí là nuôi trồng thủy sản. Việc xả nước mặn ra môi trường chỉ nên là biện pháp cuối cùng vì nó không hiệu quả và có khả năng gây hại cho môi trường.

Cần đảm bảo lựa chọn những người vận hành được đào tạo bài bản và có trình độ học vấn tốt để vận hành hệ thống. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc truyền đạt sự cố và khi cần khắc phục sự cố từ xa. Sổ nhật ký hàng ngày ghi lại áp suất trước và sau bộ lọc, lưu lượng nước cấp, nước thẩm thấu và nước cô đặc, cũng như tổng chất rắn hòa tan (TDS), cho phép kiểm tra sự thay đổi hiệu suất theo thời gian. Theo kinh nghiệm, hiệu suất giảm 15% có nghĩa là cần phải vệ sinh và đại tu. Đối với hệ thống lọc RO ở Yemen, vì người vận hành hiểu tiếng Anh, anh ta có thể liên lạc trực tiếp với nhà sản xuất ở Berlin qua WhatsApp và gửi ảnh minh họa sự cố. Điều này cho phép chẩn đoán từ xa sự cố trong bảng điều khiển và một trong các bộ lọc áp suất (bị hư hỏng khi van đóng sai). Điều ngược lại xảy ra ở Somaliland do trình độ học vấn kém của người vận hành.

Chuyên nghiệp hóa . Hãy xem việc vận hành nhà máy khử muối như một hoạt động kinh doanh. Điều này không chỉ dừng lại ở việc đào tạo người vận hành và xem xét chuỗi cung ứng phụ tùng và vật tư tiêu hao. Nó đòi hỏi một kế hoạch kinh doanh có tính đến khả năng và sự sẵn lòng chi trả, mức độ dịch vụ mà khách hàng mong đợi, và các biện pháp để đảm bảo nhu cầu của những người dễ bị tổn thương nhất không bị bỏ qua. Một doanh nhân hoặc doanh nghiệp thương mại địa phương có nhiều khả năng đáp ứng được những yêu cầu này hơn là một ủy ban cấp nước làng truyền thống.

Kết luận

Hiện nay, thẩm thấu ngược là công nghệ khả thi duy nhất cho các chương trình nhân đạo nhằm loại bỏ độ mặn ở quy mô cộng đồng. Oxfam đã triển khai các dự án khử muối ở một số quốc gia, nhưng ngoại trừ OPTI, tổ chức sở hữu chuyên môn đáng kể tại địa phương, vẫn chưa rõ liệu bất kỳ dự án nào trong số này có thể bền vững trong trung và dài hạn hay không. Mức độ phức tạp của các nhà máy khử muối vượt quá khả năng thường thấy ở các dự án do cộng đồng quản lý và điển hình hơn cho các công ty cấp nước chuyên nghiệp – với chuyên môn kỹ thuật tại chỗ, sự hỗ trợ/thỏa thuận dịch vụ từ khu vực tư nhân và năng lực quản lý hiệu quả doanh thu để đáp ứng các chi phí định kỳ và thay thế đáng kể. Cần tiến hành phân tích kỹ lưỡng trước khi đầu tư vào một dự án khử muối vì có nhiều rủi ro. Oxfam không thể kiểm soát mọi thứ hoặc đảm bảo tính bền vững lâu dài, nhưng thiết kế cần tính đến những thách thức này – đặc biệt là chuyên môn kỹ thuật nội bộ và bên ngoài, nhu cầu rõ ràng, sự sẵn lòng và khả năng chi trả, mô hình kinh doanh không phụ thuộc vào quản lý cộng đồng. Tất cả những điều này đòi hỏi thời gian, nguồn lực và sự kiên trì, điều này trên thực tế đòi hỏi cam kết chương trình nhiều năm để có bất kỳ cơ hội thành công nào.

Danh sách kiểm tra lập kế hoạch dự án

Kinh tế 

Chi phí cung cấp nước bằng phương pháp khử muối là bao nhiêu (bao gồm lương nhân viên, vật tư tiêu hao, dịch vụ bảo trì, phụ tùng thay thế)?

Liệu có giải pháp thay thế nào cho quá trình khử muối không? Nếu có, đã có phân tích lợi ích chi phí nào được thực hiện chưa?

Liệu người dân có sẵn lòng và đủ khả năng chi trả cho nước sạch hay không? 

Đã có cuộc khảo sát về mức độ sẵn lòng chi trả nào được thực hiện chưa?

Liệu người dân có sẵn sàng trả tiền nước ngay cả trong mùa mưa khi có những nguồn nước thay thế khác? Nếu không, liệu điều đó có khả thi về mặt kinh tế?

Những biện pháp nào đang được thực hiện để đảm bảo các hộ gia đình nghèo/dễ bị tổn thương, những người không đủ khả năng chi trả, có thể tiếp cận được nước sạch?

Kỹ thuật 

Liệu có chuyên gia giàu kinh nghiệm ở cấp khu vực hoặc quốc gia để bảo trì định kỳ, khắc phục sự cố và cung cấp phụ tùng thay thế hay không?

Việc giám sát sau khi lắp đặt, theo dõi và hỗ trợ kỹ thuật đã được đưa vào dự án và dự trù ngân sách chưa? 

Các địa điểm dự án có dễ tiếp cận không để đảm bảo có đủ sự giám sát kỹ thuật trong suốt các giai đoạn lập kế hoạch, thực hiện và sau khi hoàn thành?

Ai sẽ chịu trách nhiệm quản lý nhà máy khử muối lâu dài? Có bằng chứng nào cho thấy đơn vị này có khả năng duy trì hoạt động của các thiết bị phức tạp?  

Nếu không có thành tích đã được chứng minh hoặc có sự không chắc chắn, thì các biện pháp giảm thiểu rủi ro là gì và liệu có kế hoạch dự phòng nào không?

Nguồn nước có ổn định quanh năm không và có sự biến động đáng kể nào về độ mặn hoặc độ đục theo mùa cần phải tính đến không? 

Hiệu suất dự kiến ​​của hệ thống là bao nhiêu và dòng nước thải sẽ được xử lý như thế nào?

Liệu có sẵn các kỹ thuật viên được đào tạo bài bản để thực hiện các công việc vận hành và bảo trì cơ bản (biết chữ, có khả năng giao tiếp hiệu quả với bộ phận hỗ trợ từ xa để khắc phục sự cố (có thể yêu cầu kiến ​​thức về nhiều ngôn ngữ)).

Liệu thị trường địa phương hiện có nguồn cung cấp chất chống cáu cặn, các vật tư tiêu hao khác và phụ tùng thay thế – bộ lọc sơ cấp, màng lọc thay thế, v.v.?

Những biện pháp nào sẽ được áp dụng nếu nhà máy khử muối không đạt được các mục tiêu thiết kế và hiệu suất? Phí giữ lại? Mô hình xây dựng, vận hành và chuyển giao?

dự án

Lộ trình cho quá trình khử muối quy mô nhỏ 

Thẩm thấu ngược là gì?

Sổ tay kỹ thuật Dow Filmtech RO  

Khử ion bằng điện dung là gì? Hội thảo trực tuyến về khử ion bằng điện dung màng (đặc biệt là từ phút 14:00 đến 10:30)