Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
2 Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ MBR:

2 Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ MBR:

Tải bản đầy đủ - 0trang

chủ yếu chất tan thấm qua màng.

Trong nghiên cứu quá trình thẩm thấu người ta chia 4

quá trình phân tách màng chủ yếu theo kích thước của mao

quản và cách thức thấm nước qua là màng thẩm thấu ngược

RO, màng lọc nano NF (nanofiltration), màng siêu lọc UF

(ultrafiltration), và màng vi lọc MF (microfiltration), như trong

Hình 6:



Hình 6: Các quá trình phân tách bằng màng.

- Thẩm thấu ngược RO (Reverse osmosis): là phương

pháp lọc tốt nhất trong tất cả các phương pháp lọc màng. Quá

trình lọc này chỉ cho nước đi qua màng còn tất cả các chất hồ

tan, các chất rắn lơ lửng đều bị giữ lại.

- Một loại lọc khác tương đương với lọc RO là màng Nano

NF. Trong thực tế thì màng NF chỉ giữ lại các ion có hố trị lớn

hơn 1 (Ca2+, Mg2+, SO42+...), trong khi những ion hố trị 1 vẫn có

thể đi qua màng.

- Siêu lọc UF là quá trình lọc mà các hợp chất có phân tử

lượng lớn như protein và các chất keo, chất rắn lơ lửng, vi



khuẩn… trong khi đó những hợp chất có phân tử lượng thấp có

thể đi qua màng như axit hữu cơ, vô cơ, muối, kiềm…

- Vi lọc MF là q trình lọc chỉ có thể loại bỏ được các

chất rắn lơ lửng, vi khuẩn côn trùng, sinh khối…

Tuỳ theo mục đích sử dụng và yêu cầu vận hành mà

chọn loại màng cho thích hợp vì màng dễ bị tắc nghẽn và

giá thành cao.

Một phân tử chuyển qua màng có thể theo 2 cơ chế

mơ tả quá trình màng dưới tác dụng của áp suất: cơ chế

mao quản và cơ chế hoà tan - khuếch tán.

3.2.1.2 Cơ chế hồ tan khuếch tán- Q trình thẩm thấu ngược:

Thẩm thấu là sự di chuyển tự phát của dung mơi từ

một dung dịch lỗng vào một dung dịch đậm đặc qua màng

bán thấm. Ở tại một áp suất nhất định, sự cân bằng được

thiết lập thì áp suất đó gọi là áp suất thẩm thấu. Thẩm thấu

ngược là quá trình ngược lại với quá trình thẩm thấu nghĩa là

hướng chuyển động từ dung dịch đặc hơn sang dung dịch

loãng hơn, động lực của quá trình là sự chênh lệch áp suất

giữa 2 bề mặt màng do đó áp suất yêu cầu tạo ra phải cao

hơn áp suất thẩm thấu, áp suất thẩm thấu có thể thay đổi

theo nồng độ, nhiệt độ và chỉ phụ thuộc vào thuộc



tính của



dung dịch, áp suất thẩm thấu của nước được tính như sau:



Trong đó:

n: Số mol của dung dịch.

V: Thể tích mol của nước.

R: Hằng số khí.



T: nhiệt độ của nước.

Đối với các dung dịch có nồng độ cao, biểu thức này được

vant- Hoff nhân thêm hệ số thẩm thấu Ф:



Đối với các chất điện ly, hệ số thẩm thấu Ф nhỏ hơn 1

đơn vị và sẽ giảm khi tăng nồng độ. Điều này có nghĩa là

biểu thức trên được bảo tồn và giá trị dự tính theo cơng

thức này cao hơn áp suất thẩm thấu quan sát. Khi áp suất

làm việc cao hơn áp suất thẩm thấu ở phía dung dịch của

màng như hình 3.8.c. thì sẽ có dòng di chuyển ngược đó

chính là q trình thẩm thấu ngược, vì vậy có thể định nghĩa

quá trình thẩm thấu ngược là quá trình lọc dung dịch qua

màng bán thấm dưới một áp



suất cao hơn áp suất thẩm



thấu.

Mơ hình tốn học của q tình thẩm thấu ngược

thường dùng là mơ hình hồ tan – khuếch tán: trong mơ hình

này người ta coi rằng trên bề mặt màng hình thành một lớp

khơng có lỗ xốp và đồng nhất. Mỗi phần tử cấu thành trong

dung dịch hồ tan bị nén ép trong màng và sau đó khuếch

tán qua màng. Sự khuếch tán của dòng nước và dòng chất

tan là khơng đồng nhất, nó phụ thuộc



vào bản chất của



chất tan và sự chuyển nước qua màng có tốc độ nhanh hơn

chất tan.

Dòng thấm qua F, đi qua một màng bán thấm có

chiều dày d được tính theo biểu thức sau:



Trong đó:

Dw: Hệ số khuếch tán.

Cw: Nồng độ của nước.

V: Thể tích mol của nước.

∆P: Áp suất dẫn động, (tạo động lực cho quá trình).

Biểu thức này cho thấy lượng nước nhận được trong một đơn

vị thời gian tỉ lệ nghịch với độ dày của màng. Đặt (hệ số thấm qua

của nước), khi đó ta có cơng thức:

F= Wp(∆P- π) (3)

Như vậy tốc độ thẩm thấu ngược tỉ lệ với áp suất hữu

hiệu (hiệu số giữa áp suất tác động lên chất lỏng và áp suất

thẩm thấu). Áp suất hữu hiệu cao hơn nhiều áp suất thẩm

thấu.

Đối với dòng dung dịch Fs, động lực của q trình

hồn tồn là do gradient nồng độ qua màng theo phương

trình Clack (1962) như sau:



Trong đó:

Ci’: Nồng độ cấu tử i trong màng



.



∆Ci’: Giá trị nồng độ đo qua màng.

Ds: Hệ số khuếch tán của dung dịch.

Viết biểu thức trên cho nồng độ C i của dung dịch ở hai

mặt của màng, hợp thành hệ số phân bố K d là hằng số đối

với các màng:



Trong đó:

Kp: Hệ số thấm qua. Các đại lượng W p và Kp đều đặc

trưng cho một loại màng cụ thể.

Quá trình phân tách mằng màng phụ thuộc vào áp

suất, điều kiện thuỷ động, kết cấu thiết bị, bản chất và nồng

độ của nước thải, hàm lượng tạp chất trong nước thải và

nhiệt độ của nước thải.... sự tăng nồng độ dung dịch dẫn

đến tăng áp suất thẩm thấu của dung môi, tăng độ nhớt

của dung dịch và tăng sự phân cực nồng độ, dấn đến giảm

độ thấm qua và độ chọn lọc.

3.2.1.3 Cơ chế chảy qua mao quản màng- quá trình siêu lọc UF

(Ultra Filtration) và vi lọc (Micro Filtration)

Theo thuyết này cho rằng: màng bán thấm cấu tạo

bởi nhiều ống mao quản, trên bề mặt màng và bên trong

ống mao quản hình thành một lớp chất lỏng liên kết hấp

phụ, do tác dụng của lực hoá lý, lớp nước bị hấp phụ này bị

mất đi một phần hoặc toàn bộ khả năng hoà tan và nó có

tác dụng như một hàng rào chắn khơng cho chất hồ tan đi

qua. Nếu màng chỉ gồm có các ống mao quản có đường kính

nhỏ hơn hoặc bằng hai lần chiều dày của lớp nước liên kết

thì dưới tác dụng của áp suất chỉ có nước sạch mới chuyển

qua màng được, khi đó độ lựa chọn là 100%. Nhưng trong

thực thế màng bao gồm những mao quản có đường kính rất

khác nhau cho nên nó vẫn có thể cho các ion các chất tan đi

qua. Chính vì vậy mà độ lựa chọn của nó phụ thuộc vào áp

suất.

Các quá trình phân tách này theo hai cơ chế là sàng



lọc hình 7a và cơ chế lọc sâu hình 7b.



a) Sàng lọc



b) Lộc sâu



Hình7: Cơ chế phân tách qua mao quản của màng.

Mơ hình này sử dụng thích hợp cho q trình siêu lọc

và vi lọc. Để tìm ra cơng thức tính tốn người ta giả thuyết

rằng: màng được cấu tạo bởi các mao quản



có đường kính



khá nhỏ, đồng nhất khơng khuyết tật hình trụ tròn vng

góc với bề mặt màng. khi đó theo Hagen –Poiseulle, dòng

dung mơi sẽ được tính theo cơng thức:



Trong đó:

∆X: Bề dày lớp màng.



N: Số mao quản trên một diện tích màng

R: Bán kính trung bình của mao quản

Ŋ: Độ nhớt động học của dung môi

e: Độ xốp của màng (e= N.π.r2: Lượng nước chứa trong

màng)

Biểu thức (6) áp dụng đúng với loại màng lý tưởng,

còn trong thực tế đường kính mao quản khác nhiều, có nhiều

khuyết tật, sự phân bố mật độ trên bề mặt màng khơng có

quy luật nó tuỳ thuộc vào điều kiện cơng nghệ chế tạo gia

cơng ...do đó người ta đưa vào phương trình (6) các hệ số

hiệu chỉnh cho mức độ khuyết tật của màng, và mức độ

phân bố không đều của màng thì sẽ sử dụng được đối với

màng thực tế.

Trong một số tài liệu nghiên cứu cho thấy: lọc qua

màng vi lọc không làm thay đổi thành phần của dung dịch,

màng chỉ bỏ được các chất lơ lửng, các chất



keo, vi khuẩn



do đó khơng có sự phân cực nồng độ như trong màng lọc

thẩm thấu ngược và nano, nhưng trong vi lọc lại xảy ra hiện

tượng lắng đọng trên bề mặt lọc



và các lổ rỗng gây ra tắc



nghẽn, bít kín màng phải thường xuyên loại trừ hiện tượng

trên bằng rửa ngược, vì vậy hai loại màng siêu lọc và vi lọc

thường dùng hỗ trợ cho màng thẩm thấu ngược RO và nano

do cơ chế loại bỏ của các màng này là sàn, rây nên chỉ có

thể loại bỏ được các thành phần có kích thước tương đối lớn

( như chất rắn lơ lửng, hạt keo, vi khuẩn, phospho, ngun

sinh động vật...). Chính vì những lý do này mà thực tế xử lý

nước, tuỳ theo mục đích xử lý và điều kiện áp dụng mà



chọn loại màng phù hợp, vì giá cả của màng RO và Nano cao

hơn nhiều so với màng MF.

3.2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của màng

- Kích thước mao quản: xét đến yếu tố tắc nghẽn

màng liên quan đến đặc điểm chất tan và thành phần hạt

trong dung dịch. Để có được độ thấm thích hợp và hiệu quả

xử lý, cũng như làm giảm hay tăng trở lực cho màng khi

nước thấm qua liên quan đến năng lượng hoạt động. Vì vậy

trong hệ MBR thường dùng màng UF hoặc MF dành cho xử lý

nước thải trong MBR sau đó nếu xử lý tiếp theo mới dùng

màng RO.

- Bản chất và nồng độ của chất ô nhiễm: màng lọc

nước phụ thuộc trực tiếp



vào chất lượng nước liên quan



đến quá trình tiền xử lý và để vận hành màng ở điều kiện

phù hợp.

- Nồng độ sinh khối: nồng độ MLSS liên quan trực tiếp

đến sự ơ nhiễm màng. Nếu MLSS tăng cao thì làm giảm tính

thấm cho màng. Trong màng nồng độ MLSS có thể lên tới

mức cảnh báo giới hạn là 30 g/l, thường nồng độ này tối ưu ở

8 - 12



g/l dễ dàng kiểm soát các điều kiện thuỷ động lực. ở



nồng độ 15 - 18g/l đã có dấu hiệu giảm tính thấm rõ rệt.

- Độ nhớt: độ nhớt làm cho tính thấm tăng hay giảm

và liên quan đến màng hoạt động ở 1 nồng độ MLSS nhất

định, theo kết quả thử nghiệm Itonaga et al 2004 thì giá trị

MLSS từ 10 – 17 g/l độ nhớt chưa có dấu hiệu ảnh hưởng rõ

đến tính thấm.



Nhiệt độ: ảnh hưởng đến màng lọc thơng qua độ nhớt



và đến tính thấm.



Nhiệt độ tăng độ nhớt giảm, và nhiệt độ



ảnh hưởng đến dòng thấm qua màng:

J = J20 ´1, 025(T -20)

J – dòng thấm qua ở

nhiệt độ nước thải T. J20 – dòng

thấm qua ở nhiệt độ 20 độ C.

- DO: trong màng DO cấp cho VSV hoạt động và phục

hồi tính thấm cho



màng. Trong hệ MBR thường trong bể



phản ứng sục khí bằng bong bóng mịn làm tăng hiệu quả

hồ tan Oxi, còn trong màng thường thơng khí bằng bọt thơ

để làm thơng màng do đó mà DO thấp làm giảm khả năng

hấp thụ của VSV trong màng.

3.2.1.5 Vật liệu làm màng và Modul màng.

Vật liệu làm màng:

Có hai loại vật liệu màng chính đó là Polyme và vật liệu

gốm. Các màng kim



loại cũng tồn tại nhưng không liên quan đến



áp dụng trong công nghệ MBR. Nói chung màng phải ln ln bao

gồm một lớp bề mặt mỏng có tính thấm chọn lọc, tính cơ khí ổn

định, có độ xốp cao, mật độ mao quản dày đặc và chịu được tác

dụng của nhiệt độ và hố chất, các biến đổi pH, nơng độ chất oxy

hố .....

Các vật liệu polyme phù hợp với q trình phân ly qua màng

được giới hạn :

- Polyvinylidene difluoride (PVDE).

- Polyethylsulphone (PES).

- Polyethylene (PE).



- Polypropylene (PP).

Trong đó hay dùng nhất là PVDF cho màng MBR.



Hình 8: Màng UF dị hướng: a) Vật liệu Polyme và b) Vật liệu gốm



Hình 9: Bề mặt của màng và sự phân bố kích thước mao quản với

chi tiết loại trừ các Homodispersed.

Cấu hình của màng là dạng hình học của nó và cách thức gắn kết

liên quan đến hướng của dòng nước chảy là rất quan trọng trong hiệu suất

tổng của quá trình màng. Cách thức màng là rời rạc, đơn vị riêng lẻ hoặc

dạng modul nhưng lý tưởng nhất là cấu hình màng phải đảm bảo:

- Thể tích một modul màng lớn.

- Thúc đẩy qúa trình chuyển khối ở mức độ cao.

- Tiêu tốn năng lượng thấp cho một thể tích nước sản phẩm.



- Là một thiết kế dễ dàng vệ sinh làm sạch, lắp đặt và ở chi

phí sản xuất thấp.

- Có cơ học và hoá học đủ mạnh để chịu được những áp lực

cao trong các chu kỳ lọc và làm sạch.

- Dễ dàng sửa đổi để cung cấp một bề mặt ưu nước và do đó

làm cho chúng tăng thêm khả năng chống ô nhiễm.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

2 Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ MBR:

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×