Khử mặn nước lợ và nước biển: 6 khác biệt chính (Và hệ thống nào phù hợp với nguồn nước của quý khách)

Khử mặn nước lợ là quá trình loại bỏ muối hòa tan khỏi nguồn nước có tổng chất rắn hòa tan từ 1.000–10.000 mg/L — tương đương khoảng 3% đến 29% độ mặn điển hình 35.000 mg/L của nước biển — bằng cùng công nghệ thẩm thấu ngược cốt lõi, nhưng ở áp suất thấp hơn và tỷ lệ thu hồi cao hơn. Phân biệt chính xác hai loại nước này rất quan trọng vì điều đó ảnh hưởng đến việc lựa chọn màng lọc, áp suất cần thiết và phương án xử lý dòng nước cô đặc cho dự án; đây là hai quyết định kỹ thuật không thể thay thế cho nhau. Nước sau khử mặn từ nhà máy xử lý nước lợ và nhà máy xử lý nước biển đều có thể đạt cùng mục tiêu chất lượng nước uống, nhưng thiết bị, năng lượng và phương án xử lý cần thiết để đạt được điều đó khác nhau đáng kể.

Điều gì khiến nước được xem là “nước lợ” thay vì “nước biển”?

Nước được xem là nước lợ khi tổng chất rắn hòa tan nằm trong khoảng 1.000 đến 10.000 mg/L: đủ mặn để cần xử lý trước khi sử dụng, nhưng thấp hơn nhiều so với mức 35.000 ppm điển hình của nước biển. Ranh giới này không tùy tiện: nó quyết định hệ thống cần loại màng lọc nào, cấp áp suất nào và mục tiêu thu hồi ra sao. Vì vậy, phân loại chính xác là bước đầu tiên trong quyết định kỹ thuật, chứ không chỉ là gắn nhãn.

Thẩm thấu ngược là công nghệ xử lý chủ đạo cho cả hai nhóm vì có khả năng loại bỏ muối ổn định trên dải độ mặn rộng nhất trong số các công nghệ khử mặn đang được sử dụng thương mại. Đảo chiều điện thẩm tách đôi khi được dùng cho những khoảng TDS nước lợ hẹp hơn, khi mục tiêu là loại bỏ chọn lọc ion thay vì loại bỏ đồng loạt. Trường hợp chuyên biệt này được đề cập trong hướng dẫn Xử lý nước lợ bằng RO của Blue Membrane; bài viết này không trình bày lại nội dung đó. Các quy trình khử mặn bằng nhiệt vẫn được sử dụng tại một số nhà máy khử mặn ở khu vực Vịnh Ba Tư, nhưng xử lý bằng màng lọc đã thay thế thiết kế nhiệt ở hầu hết nơi sử dụng nước ngầm và nước mặn nội địa làm nguồn cấp. Nguyên nhân là bay hơi nước ngầm lợ hoặc nước biển để tách phân tử nước khỏi muối hòa tan tiêu tốn năng lượng hơn nhiều so với việc đẩy nước qua màng lọc.

Khi được xem xét cùng nhau, nước lợ và nước biển đại diện cho hai đầu của cùng một dải độ mặn liên tục, chứ không phải hai lĩnh vực không liên quan: hệ thống khử mặn được thiết kế cho loại nước này vẫn dựa trên cùng nền tảng khoa học về màng lọc, tư duy quy hoạch tài nguyên nước và quy trình tiền xử lý chi phối loại nước kia; đó chính là lý do việc so sánh trực tiếp hai loại như bài viết này thực hiện hữu ích hơn so với xem khử mặn nước biển và nước lợ là hai chủ đề riêng biệt.

Nguồn nước tầng chứa và ngưỡng loại bỏ muối

Các cơ quan quản lý nước của Hoa Kỳ, trong đó có Bureau of Reclamation và Texas Commission on Environmental Quality, thường phân loại nước ngọt, nước lợ và nước mặn theo cùng một dải TDS: nước ngọt dưới 1.000 mg/L, nước lợ từ 1.000 đến 10.000 mg/L, còn nước có độ mặn cao hơn được phân loại tăng dần theo mức độ, với nước muối đậm đặc ở đầu cao nhất của thang đo. Phân loại sản phẩm riêng của Blue Membrane mở rộng mức “nước lợ cao” vượt nhẹ ngưỡng 10.000 mg/L, lên đến 12.000 mg/L; mức 10.000–12.000 mg/L được xem là khoảng cần xác minh trước khi chọn thông số, thay vì ranh giới cứng để chuyển sang thiết bị xử lý nước mặn. Với mức khoảng 35.000 mg/L, nước biển nằm sâu trong vùng độ mặn cao của dải này — nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với nồng độ nước muối đậm đặc thực sự — nên đây là khác biệt về mức độ trên cùng một thang đo, chứ không phải một nhóm vật lý riêng biệt với nước lợ.

So sánh trực tiếp khử mặn nước lợ và nước biển

Xét về áp suất, tỷ lệ thu hồi và tỷ lệ loại bỏ, RO nước lợ và RO nước biển khác nhau ở mọi thông số thực tế quyết định chi phí và diện tích lắp đặt hệ thống. Chênh lệch lớn nhất nằm ở tỷ lệ thu hồi: hệ thống nước lợ thường thu hồi 50–90% nước cấp thành nước thấm qua màng có thể sử dụng, trong khi hệ thống nước biển chỉ thu hồi 26–35%. Chỉ riêng con số này đã lý giải phần lớn chênh lệch về chi phí phát sinh và lượng dòng cô đặc được bàn đến ở phần sau.

Loại màng và yêu cầu áp suất vận hành

Màng RO nước lợ được định mức cho hoạt động ở áp suất tiêu chuẩn đến trung bình, trong khi màng RO nước biển được chế tạo và định mức để vận hành liên tục ở áp suất cao. Màng nước lợ đơn giản là không thể chịu được áp suất cần thiết cho ứng dụng nước biển; ngược lại, dùng màng nước biển ở áp suất dành cho nước lợ sẽ lãng phí cấu tạo chịu áp suất cao hơn của màng. Về cốt lõi, cả hai đều sử dụng cùng một quy trình thẩm thấu, nhưng xử lý lượng chất rắn hòa tan tổng khác nhau đáng kể. Hệ thống thẩm thấu ngược được thiết kế cho một khoảng độ mặn không thể thay thế trực tiếp hệ thống dành cho khoảng kia, dù nguyên lý khử mặn bằng màng bên dưới là như nhau.

Các số liệu về áp suất, tỷ lệ thu hồi và tỷ lệ loại bỏ phản ánh cấu hình BWRO Thu hồi cao, Đóng gói sẵn và Nước giếng của Blue Membrane ở phía xử lý nước lợ, cùng dòng sản phẩm SWRO riêng của Blue Membrane ở phía xử lý nước biển. Đây là mức định chuẩn cụ thể cho thiết bị của Blue Membrane, không phải mức trung bình chung của ngành; số liệu từ nhà sản xuất khác sẽ thay đổi theo thiết kế màng và thành phần hóa học của nước cấp. Ngược lại, hàng CAPEX/OPEX dựa trên nghiên cứu chi phí đã công bố của bên thứ ba, không phải bảng giá riêng của Blue Membrane. Tài liệu BWRO đã công bố của Blue Membrane không nêu mức tiêu thụ năng lượng tương đương theo kWh/m³, vì vậy hàng về năng lượng ở trên chỉ mô tả định tính cho phía nước lợ; nguyên nhân cơ bản là hoạt động ở áp suất thấp hơn như thể hiện ở hàng áp suất. Phần giới thiệu trong một bằng sáng chế khử mặn đã công bố cũng nêu xu hướng tương tự về chênh lệch tỷ lệ thu hồi, dẫn số liệu thu hồi nước thấm qua màng nước lợ ở mức 70–80% so với khoảng 35% ở nước biển (WO2009102442A1) — đây là phần giới thiệu bằng sáng chế, không phải nghiên cứu độc lập được bình duyệt.

Vì sao khử mặn nước lợ ít tốn kém hơn và vì sao đó chưa phải toàn bộ câu chuyện

Thẩm thấu ngược xử lý nước lợ ít tốn kém hơn khử mặn nước biển chủ yếu vì độ mặn thấp hơn của nước cấp đồng nghĩa với áp suất thẩm thấu cần khắc phục thấp hơn, giúp giảm cả chi phí đầu tư lẫn chi phí năng lượng. Dữ liệu chi phí đã công bố cho thấy vốn đầu tư của hệ thống RO nước lợ là $500–$2.947 cho mỗi m³/ngày công suất lắp đặt, còn chi phí vận hành là $0,39–$0,66 cho mỗi m³ nước sản xuất, dựa trên các nhà máy có công suất từ 10.000 đến 70.000 m³/ngày (Membranes, 2021).

Hiệu quả năng lượng và chi phí sản xuất nước

TDS của nước cấp trong khoảng 2.000 đến 6.000 mg/L không làm thay đổi đáng kể chi phí vận hành trong phạm vi này: yếu tố quyết định chi phí là bản thân quy trình xử lý, chứ không phải những dao động nhỏ về độ mặn hay chất lượng nước trong dải nước lợ. Việc kiểm soát chi phí đó giải thích vì sao công nghệ xử lý tại các cơ sở khử mặn nước lợ đã hội tụ về những cấu hình tiêu chuẩn hóa, thay vì thiết kế kỹ thuật riêng cho từng mục tiêu sản xuất nước; đồng thời cũng lý giải vì sao cải thiện hiệu quả năng lượng ở các phần tử màng mới có ý nghĩa với tổng chi phí hơn những khác biệt nhỏ về chất lượng nước cấp. TDS vẫn chỉ là điểm khởi đầu, chưa phản ánh toàn bộ vấn đề: nghiên cứu của U.S. Geological Survey về nước ngầm lợ cho thấy năng lượng tách tối thiểu còn phụ thuộc vào loại ion chiếm ưu thế trong nước cấp. Với cùng mức TDS, nhu cầu năng lượng tăng dần từ canxi đến natri trong nhóm cation, và từ sunfat đến bicacbonat rồi clorua trong nhóm anion (USGS). Vì vậy, cuối cùng chính xét nghiệm toàn diện chất lượng nước — chứ không chỉ số liệu TDS — mới quyết định cấu hình.

Lợi thế chi phí đó là có thật, nhưng chỉ phản ánh chi phí xử lý. Con số này không cho biết điều gì xảy ra với 10–50% nước cấp không trở thành nước thấm qua màng có thể sử dụng. Chính ở điểm này, hai công nghệ bắt đầu khác nhau rõ rệt. Xem hướng dẫn chi tiết về chi phí theo quy mô nhà máy chỉ dành cho nước lợ của chúng tôi tại Hướng dẫn chi phí vận hành BWRO.

Xử lý dòng cô đặc: điểm khiến nước lợ thực sự khó xử lý hơn

Xử lý dòng cô đặc làm giảm một phần lợi thế chi phí của khử mặn nước lợ, vì nhà máy xử lý nước lợ trong đất liền không thể xả nước ra biển như nhà máy xử lý nước biển. Đánh giá của MIT về khử mặn nước ngầm cho biết chi phí xử lý nước muối đậm đặc chiếm 5% đến 33% tổng chi phí dự án. Các nhà máy xử lý nước lợ trong đất liền thường nằm ở đầu cao của khoảng này vì không thể tiếp cận cửa xả ra biển (Ahdab & Lienhard) — một kết quả trái với trực giác của những người mua cho rằng nước cấp rẻ hơn đương nhiên đồng nghĩa với toàn bộ dự án cũng rẻ hơn.

Xử lý bằng hồ bay hơi, một trong số ít lựa chọn khả thi trong đất liền, được ghi nhận có chi phí cao nhất khoảng $2,98 cho mỗi m³ (chi phí đất là yếu tố lớn nhất nên tại những địa điểm rẻ hơn, chi phí thấp hơn nhiều). Khoản này phải được cộng thêm vào phần tiết kiệm từ xử lý mà nước lợ vốn mang lại. Ngược lại, các nhà máy xử lý nước biển thường xả dòng cô đặc trở lại đại dương qua cửa xả, nhờ đó tránh được hoàn toàn khoản chi phí này, dù thể tích dòng cô đặc của chúng (65–74 gpm trên mỗi 100 gpm nước cấp) lớn hơn đáng kể so với mức thường thấy ở hệ thống nước lợ có tỷ lệ thu hồi cao (25 gpm ở tỷ lệ thu hồi 75%, giảm còn 10 gpm ở tỷ lệ thu hồi 90%; nhà máy nước lợ vận hành ở đầu thấp của dải tỷ lệ thu hồi 50–90% sẽ tạo ra lượng dòng cô đặc lớn hơn mức đó).

Công nghệ tập trung vào dòng cô đặc là phản ứng của ngành: một đơn đăng ký bằng sáng chế Hoa Kỳ đã công bố mô tả các hệ thống không xả lỏng dành riêng cho nước lợ và chất thải công nghiệp, sử dụng kết tủa hóa học và ly tâm để tách muối đóng bám khỏi nước muối đậm đặc. Sau đó, hệ thống cho nước muối đi qua một cấp thẩm thấu ngược thứ hai để thu hồi thêm nước và nước muối, thay vì để chúng thành chất thải (US20090045116A1). Việc nộp đơn này cũng là một dấu hiệu cho thấy quản lý và xử lý nước muối đậm đặc được xem là vấn đề kỹ thuật riêng trong khử mặn nước lợ và trong quy hoạch quản lý nước muối nói chung, chứ không phải phần việc phụ được bổ sung sau vào dây chuyền xử lý.

Nguồn nước của quý khách thuộc loại nào? Khung quyết định nhanh

Đọc chỉ số TDS trong báo cáo chất lượng nước là cách nhanh nhất để xác định hướng công nghệ phù hợp: tìm giá trị TDS, thường được báo cáo theo mg/L, rồi đối chiếu với các khoảng phân loại ở trên. Hầu hết trường hợp đều có thể xác định ngay; vùng ranh giới khoảng 10.000 đến 12.000 mg/L là nơi áp dụng phân loại “nước lợ cao” riêng của Blue Membrane, đồng thời cần xem xét kỹ hơn thành phần hóa học cụ thể của nước cấp thay vì chỉ dựa vào số liệu TDS.

Nghiên cứu của U.S. Geological Survey cho thấy thành phần ion, chứ không chỉ tổng TDS, quyết định lượng năng lượng thực sự cần để xử lý cùng một loại nước cấp (USGS). Đây là một lý do nữa khiến xét nghiệm nước toàn diện hữu ích hơn chỉ một chỉ số TDS khi lựa chọn thiết bị. Công cụ kiểm tra mức độ tương thích của nước cấp từ Blue Membrane lần lượt xem xét loại nguồn nước, TDS và các chất gây ô nhiễm như trong bảng bên dưới để đưa ra đánh giá sơ bộ về cấu hình phù hợp trước khi phân tích đầy đủ nước cấp.

Chỉ số TDS giúp xác định dòng màng lọc cần xem xét, nhưng riêng nó không cho biết toàn bộ vấn đề: nguồn nước cấp, khả năng xử lý dòng cô đặc và mục tiêu thu hồi sẽ quyết định cấu hình thực tế. Kết quả xét nghiệm nước và các phương án xử lý tại địa điểm thường được cân nhắc khi chọn cấu hình.

Khi nào khử mặn nước lợ là lựa chọn phù hợp nhất

Khử mặn nước lợ là lựa chọn phù hợp ở hầu hết những nơi nước ngầm trong đất liền hoặc dòng chảy nông nghiệp quá mặn để sử dụng trực tiếp nhưng không thể tiếp cận biển: cấp nước đô thị, xử lý nước giếng cho trang trại chăn nuôi và ngành công nghiệp nông thôn, cùng nước công nghệ cho ngành công nghiệp nhẹ đến trung bình là 3 nhóm ứng dụng thường có hiệu quả kinh tế. Sau khi kết quả xét nghiệm nước và các bước chẩn đoán ở phần trước xác nhận TDS thuộc khoảng nước lợ và có phương án xử lý dòng cô đặc hợp lý, đây là những trường hợp mà cấu hình này phát huy hiệu quả.

Nhà máy xử lý dạng mô-đun công suất $175 million mới được phê duyệt tại Corpus Christi cho thấy quy mô mà các dự án khử mặn nước lợ hiện nay có thể đạt được: công suất ban đầu 3,91 million gallons mỗi ngày vào tháng thứ 11, tăng lên 21.3 MGD vào năm thứ 2, theo xác nhận trong thông báo của hội đồng thành phố. Các nhà máy xử lý quy mô này đang trở nên phổ biến tại những khu vực nội địa thiếu nước, thay vì còn là trường hợp hiếm hoi.

Riêng Texas đã cho thấy lĩnh vực này phát triển vững chắc đến mức nào: hiện nay, tiểu bang vận hành hàng chục nhà máy khử mặn nước ngầm tại các đô thị ở Texas trong khuôn khổ một trong những chương trình công nghệ nước phát triển lâu đời nhất cả nước. Các nhà máy này xử lý nước cấp lợ thành nước uống ở quy mô lớn; kế hoạch nước của tiểu bang năm 2007 do Texas Water Development Board lập dự báo chương trình sẽ bổ sung khoảng 174.773 acre-feet nguồn cấp nước mới mỗi năm (gần bằng 156 million gallons mỗi ngày) vào năm 2060 (Texas Water Development Board). Chính phủ liên bang tài trợ cơ sở hạ tầng nghiên cứu chuyên biệt thông qua Bureau of Reclamation’s Brackish Groundwater National Desalination Research Facility. Chương trình của Texas Water Development Board là một ví dụ cụ thể về chính sách khuyến nghị khử mặn nước ngầm lợ đang được thực hiện: phương án này ngày càng được xem là giải pháp thay thế khả thi cho việc xây dựng thêm hồ chứa nước mặt ở những nơi trữ lượng nước ngầm lợ tại địa phương có thể đáp ứng nhu cầu nước dự kiến, một phần vì công nghệ khử mặn ở giai đoạn này đã được hiểu rõ và có thể xin giấy phép, không như các phương án chưa được kiểm chứng. Riêng ứng dụng xử lý nước giếng cho khu vực nông thôn và nông nghiệp, xem các hệ thống RO xử lý nước lợ từ nước giếng của Blue Membrane.

Các nhà quy hoạch tài nguyên nước ngày càng xem nhà máy khử mặn trong đất liền là hạng mục tiêu chuẩn trong kế hoạch cấp nước của tiểu bang, thay vì chỉ là biện pháp ứng phó khẩn cấp. Một nhà máy khử mặn nước biển quy mô lớn hoặc nhà máy khử mặn nước ngầm lợ có thể bổ sung hàng chục triệu gallon nước ngọt vào nguồn cấp nước uống của một khu vực mà không cần xây hồ chứa nước mặt mới. Thay đổi này có ý nghĩa nhất tại những nơi nhu cầu nước tăng nhanh hơn nguồn cung thông thường: nước thô lấy từ tầng chứa nước lợ được xử lý thành nước uống hoàn thiện qua cùng quy trình đã mô tả trong bài viết này, còn các nhà máy khử mặn nước ngầm tại những đô thị đang phát triển ngày càng được thiết kế theo mức tiêu thụ nước dự kiến, thay vì chỉ theo nhu cầu hiện tại. Hiệu quả kinh tế đến từ việc quy trình khử mặn đã phát triển thành công nghệ xử lý nước có thể dự đoán và xin giấy phép, chứ không còn là thử nghiệm.

Chọn hệ thống phù hợp sau khi xác định nguồn nước

Sau khi kết quả xét nghiệm nước xác định nước thuộc nhóm nào, bước tiếp theo là chọn cấu hình cụ thể dựa trên TDS của nước cấp và tỷ lệ thu hồi cần đạt, thay vì chỉ nhận báo giá chung cho một “hệ thống RO”. Với nước cấp lợ, Phần tử màng RO nước lợ của Blue Membrane được thiết kế riêng cho dải 1.000–10.000 mg/L được đề cập trong bài viết này. Dòng Giải pháp RO nước lợ của chúng tôi bao gồm các cấu hình thu hồi cao, hệ thống đóng gói và xử lý nước giếng, đều được xây dựng xoay quanh những phần tử màng này.

Nếu kết quả xét nghiệm cho thấy độ mặn của nước thuộc dải nước biển, Hệ thống RO nước biển của Blue Membrane được thiết kế để vận hành ở áp suất cao hơn và tỷ lệ thu hồi thấp hơn theo yêu cầu của dải này, với cùng quy trình kỹ thuật chặt chẽ nhưng dành cho một bài toán khác.

Triển vọng ngành

Khử mặn nước lợ đang tăng trưởng nhanh hơn khử mặn nước biển, và động lực đến từ những yếu tố mang tính cơ cấu chứ không phải chu kỳ: nhu cầu năng lượng thấp hơn và quy trình phê duyệt pháp lý tương đối đơn giản hơn giúp các dự án nước lợ ở vùng nội địa thiếu nước dễ được thông qua hơn so với các nhà máy nước biển quy mô lớn ven biển. Các đơn vị nghiên cứu thị trường thương mại ước tính phân khúc thiết bị xử lý nước lợ tăng gần 10% mỗi năm đến đầu những năm 2030, trong đó phân khúc công nghiệp tăng cao hơn một chút. Đây là những con số tham khảo có độ tin cậy thấp, nhằm cung cấp bối cảnh chứ không phải dự báo chính xác được kiểm chứng độc lập.

Với các bên mua đang cân nhắc hai hướng triển khai hiện nay, công suất xử lý nước lợ đang được đưa vào vận hành nhanh hơn chủ yếu vì dễ vượt qua các rào cản về tài chính và cấp phép mà những dự án nước biển vẫn gặp phải, chứ không phải vì công nghệ nền tảng đã thay đổi. Trên thực tế, một dự án đủ điều kiện xử lý nước lợ dựa trên thành phần hóa học của nguồn nước cũng có khả năng được phê duyệt nhanh hơn dự án nước biển tương đương.

Nghiên cứu và phát triển trong xử lý nước bằng thẩm thấu ngược

Nghiên cứu và phát triển liên tục ở cả hai công nghệ chủ yếu tập trung vào những cải tiến nhỏ thay vì cách mạng hóa nền tảng xử lý nước bằng thẩm thấu ngược: màng lọc dễ vận hành hơn, khả năng chống bám bẩn màng cao hơn và các kỹ thuật khử mặn thế hệ mới để xử lý dòng nước cô đặc. Tất cả đều góp phần giảm chi phí nước nói chung. Năm 2023, chương trình Liên minh Quốc gia về Đổi mới Nước thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã cấp kinh phí thực tế cho hướng phát triển này, hỗ trợ đợt tài trợ 9,2 triệu USD (16,9 triệu USD tính cả phần vốn đối ứng) cho 12 dự án đổi mới trong lĩnh vực xử lý nước. Một số dự án tập trung cụ thể vào dự báo bám bẩn màng trong xử lý nước lợ bằng thẩm thấu ngược, phát triển màng trao đổi ion và tận dụng nước muối đậm đặc, bên cạnh các dự án khác về công nghệ khử mặn và tái sử dụng nước thải nói chung (Bộ Năng lượng Hoa Kỳ). Khi xét đến tình trạng khan hiếm nước trên thực tế, những cải tiến liên tục nhưng có chừng mực theo thời gian này quan trọng hơn bất kỳ sáng kiến khử mặn đơn lẻ nào: mỗi dự án RO khử mặn lấy nước từ đại dương hoặc từ tầng chứa nước vốn chưa được khai thác nên có chi phí thấp hơn một chút so với dự án trước. Mặt khác, việc cấp phép xả nước mặt vẫn là yếu tố thay đổi chậm nhất trong bối cảnh này.

Câu hỏi thường gặp