Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển kinh tế và đô thị hóa tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng nguồn nước sạch đạt chuẩn vệ sinh phục vụ đời sống sinh hoạt và ăn uống của nhân dân ngày càng trở nên cấp thiết. Mặc dù tài nguyên nước phong phú, song các nguồn nước tự nhiên, đặc biệt là nguồn nước ngầm, thường chứa các thành phần khoáng chất hòa tan vượt quá giới hạn quy chuẩn vệ sinh môi trường, trong đó phổ biến nhất là sắt, mangan, khí $H_2S$ và hàm lượng cặn hữu cơ. Trước yêu cầu bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường sống, việc ứng dụng các giải pháp khoa học kỹ thuật để thiết kế trạm xử lý nước cấp bảo đảm tiêu chuẩn vệ sinh là nhiệm vụ có tính thực tiễn cao.

Đồ án môn học "Xử lý nước cấp" được thực hiện bởi sinh viên Dương Thị Bích Hằng và Nguyễn Thị Hạnh (lớp 17MT), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Mai Thị Thùy Dương, nhằm mục tiêu thiết kế hoàn chỉnh hệ thống công nghệ xử lý nước cấp từ nguồn nước ngầm. Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Đánh giá chất lượng nước nguồn thô dựa trên bộ số liệu mẫu (chất lượng nước số 23) và so sánh với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt (QCVN 01-1:2018/BYT).
  2. Xác định các thông số hóa lý còn thiếu trước và sau quá trình làm thoáng (hàm lượng muối hòa tan, $CO_2$ tự do, độ kiềm, độ pH và kiểm tra chỉ số bão hòa ổn định của nước).
  3. Đề xuất và phân tích lựa chọn dây chuyền công nghệ tối ưu giữa hai phương án kỹ thuật.
  4. Tính toán thiết kế chi tiết kích thước, cấu tạo, thủy lực và thiết bị cho từng công trình đơn vị thuộc dây chuyền xử lý được chọn (giàn mưa, bể lắng đứng tiếp xúc, bể lọc nhanh trọng lực, hệ thống khử trùng Clo, bể chứa nước sạch, hồ lắng bùn) và tính toán kiểm chứng công trình của phương án đối sánh (bể lọc tiếp xúc).
  5. Tính toán cao trình công nghệ xử lý nước nhằm đảm bảo sự kết nối thủy lực tự chảy giữa các công trình trong toàn trạm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nguồn nước ngầm có độ cứng toàn phần $3{,}6\text{ mgđlg/l}$, hàm lượng sắt tổng số $10\text{ mg/l}$ (hàm lượng $Fe^{2+} = 6\text{ mg/l}$), độ oxy hóa $KMnO_4 = 5{,}4\text{ mg/l}$, hàm lượng $H_2S = 0{,}1\text{ mg/l}$, hàm lượng mangan $Mn = 0{,}1\text{ mg/l}$.
  • Phạm vi thiết kế: Công suất thiết kế của trạm cấp nước là $Q = 5000\text{ m}^3/\text{ngđ}$ (công suất tính toán bao gồm lượng nước nội bộ nhà máy với hệ số $C = 1{,}1$ là $Q_{XL} = 5500\text{ m}^3/\text{ngđ} = 229{,}17\text{ m}^3/\text{h}$). Địa điểm xây dựng bố trí tại mặt bằng khu đất số 6 có đường đồng mức cách nhau $1\text{ m}$, hướng gió chủ đạo trong năm là hướng Tây. Nước sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn ăn uống và sinh hoạt hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Nội dung đồ án được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết về hóa học nước, động học các quá trình xử lý hóa lý trong công nghệ cấp nước và các tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành:

  • Cơ sở lý thuyết hóa học và công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm sắt: Trong môi trường nước ngầm kỵ khí, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng ion hòa tan $Fe^{2+}$. Quá trình xử lý dựa trên nguyên lý oxy hóa $Fe^{2+}$ thành $Fe^{3+}$ bằng oxy không khí thông qua làm thoáng tự nhiên (giàn mưa). Quá trình oxy hóa và thủy phân diễn ra theo cơ chế: tiêu thụ $0{,}143\text{ mg } O_2$, sinh ra $1{,}60\text{ mg } CO_2$ và làm giảm độ kiềm $0{,}036\text{ mgđlg/l}$ cho mỗi $1\text{ mg } Fe^{2+}$ bị chuyển hóa. Hợp chất $Fe(OH)_3$ tạo thành kết tủa ít tan sẽ được giữ lại qua các giai đoạn lắng tiếp xúc và lọc qua lớp vật liệu lọc hạt thạch anh. Đồng thời, quá trình làm thoáng giúp đuổi khí $CO_2$ tự do để nâng pH của nước và loại bỏ khí $H_2S$.
  • Khung tiêu chuẩn và quy phạm áp dụng: Đồ án áp dụng Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 33:2006 / TCVN 33:2006 "Cấp nước - Mạng lưới đường ống và công trình - Tiêu chuẩn thiết kế", Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01-1:2018/BYT và QCVN 01:2009/BYT về chất lượng nước ăn uống, sinh hoạt.
  • Phương pháp nghiên cứu và tính toán:
    • Phương pháp phân tích, tổng hợp và đánh giá chất lượng nước thô theo các quy chuẩn hiện hành.
    • Phương pháp tính toán cân bằng ion, xác định tổng hàm lượng muối ($P$), nồng độ $CO_2$ cân bằng theo biểu đồ Langelier và kiểm tra tính ổn định cacbonat của nước thông qua chỉ số bão hòa $J = |pH_0 - pH_s|$.
    • Phương pháp tính toán công nghệ kỹ thuật môi trường: xác định diện tích bề mặt tiếp xúc, tải trọng thủy lực, thời gian lưu nước, kích thước hình học, hệ thống phân phối và thu gom dòng chảy.
    • Phương pháp tính toán thủy lực: tính toán đường kính ống dẫn, vận tốc dòng chảy, tổn thất áp lực cục bộ và dọc đường ($h_p, h_đ, h_{vl}, h_{bđ}$), xác định cột áp và công suất máy bơm rửa lọc, máy thổi khí.
    • Phương pháp so sánh - lựa chọn phương án kinh tế kỹ thuật giữa bể lắng đứng tiếp xúc và bể lọc tiếp xúc.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu chất lượng nước nguồn số 23 và điều kiện địa hình khu đất số 6 theo đề bài thiết kế; các bảng biểu và biểu đồ quy chuẩn trích từ tài liệu chuyên môn của TS. Nguyễn Ngọc Dung, ThS. Nguyễn Lan Phương và PGS. Nguyễn Thị Hồng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về khu vực thiết kế

Chương 1 trình bày đặc điểm khu vực thiết kế, công suất nhà máy và phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước nguồn số 23 so với QCVN 01-1:2018/BYT.

Chỉ tiêu Đơn vị tính Tiêu chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT Nước nguồn Đánh giá
pH - 6,5 – 8,5 7,0 Đạt
Độ oxy hóa $KMnO_4$ mg/l $\le 2$ 5,4 Vượt tiêu chuẩn
Độ cứng tổng cộng mgđlg/l $\le 12$ 3,6 Đạt
Độ màu Pt/Co $\le 15$ 11 Đạt
Hàm lượng Fe tổng mg/l $\le 0,3$ 10 Vượt tiêu chuẩn
Hàm lượng $Fe^{2+}$ mg/l - 6 Cần khử trong quá trình xử lý
Hàm lượng Mn mg/l $\le 0,3$ 0,1 Đạt
Hàm lượng $H_2S$ mg/l $\le 0,05$ 0,1 Vượt tiêu chuẩn (loại bỏ qua làm thoáng)
Hàm lượng $Ca^{2+}$ mg/l $\le 100$ 60,12 Đạt
Hàm lượng $NH_4^+$ mg/l $\le 3$ 0,8 Đạt
Hàm lượng $SO_4^{2-}$ mg/l $\le 250$ 15 Đạt
Hàm lượng $Cl^-$ mg/l $\le 250$ 12 Đạt
Hàm lượng $NO_2^-$ mg/l $\le 3$ 0,5 Đạt

Nước nguồn có độ kiềm ban đầu $K_{i0} = 3{,}2\text{ mgđlg/l}$, nồng độ $Na^+ = 18\text{ mg/l}$, $Mg^{2+} = 7{,}3\text{ mg/l}$, $HCO_3^- = 195\text{ mg/l}$, nhiệt độ nước là $28^\circ\text{C}$. Kết quả phân tích cho thấy các chỉ tiêu vượt chuẩn cần tập trung xử lý gồm sắt tổng số, $H_2S$ và độ oxy hóa.

Chương 2: Lựa chọn dây chuyền công nghệ

Nội dung chương tập trung xác định các thông số hóa lý của nước trước và sau làm thoáng, từ đó lập luận đề xuất phương án xử lý:

  • Thông số trước làm thoáng:
    • Tổng hàm lượng ion dương không kể $Fe^{2+}$: $\sum Me^+ = 86{,}22\text{ mg/l}$.
    • Tổng hàm lượng ion âm không kể $HCO_3^-, SiO_3^{2-}$: $\sum Ae^- = 27{,}5\text{ mg/l}$.
    • Tổng hàm lượng muối hòa tan: $P = 219{,}62\text{ mg/l}$.
    • Lượng $CO_2$ tự do trong nước: $[CO_2] = 26{,}5\text{ mg/l}$ (tra theo biểu đồ Langelier ở $28^\circ\text{C}$, $pH = 7$, $K_{i0} = 3{,}2\text{ mgđlg/l}$).
    • Kiểm tra độ cứng: Độ cứng toàn phần $C_{tp} = 3{,}6\text{ mgđlg/l}$, độ cứng cacbonat bằng độ kiềm bằng $3{,}2\text{ mgđlg/l}$.
  • Thông số sau khi làm thoáng bằng giàn mưa (hiệu suất khử $CO_2$ đạt $a = 75%$ theo TCXDVN 33:2006):
    • Hàm lượng $CO_2$ sau làm thoáng: $[CO_2]^* = 26{,}5 \times (1 - 0{,}75) + 1{,}6 \times 6 = 16{,}225\text{ mg/l}$.
    • Độ kiềm sau làm thoáng: $K_i^* = 3{,}2 - 0{,}036 \times 6 = 2{,}984\text{ mgđlg/l} > 1\text{ mgđlg/l}$.
    • Giá trị $pH$ sau làm thoáng: $pH_1 = 7{,}15$.
    • Hàm lượng cặn cực đại: $C^*{max} = C{0max} + 1{,}92[Fe^{2+}] + 0{,}25M = 10 + 1{,}92 \times 6 + 0{,}25 \times 11 = 24{,}27\text{ mg/l}$.
    • Kiểm tra độ ổn định của nước: $pH_s = 7{,}4685$; chỉ số bão hòa $J = |7{,}15 - 7{,}4685| = 0{,}3185 < 0{,}5$, kết luận nước có tính ổn định.
  • Đề xuất và so sánh phương án công nghệ:
    • Phương án 1: Nước ngầm $\rightarrow$ Giàn mưa $\rightarrow$ Bể lắng đứng tiếp xúc $\rightarrow$ Bể lọc nhanh trọng lực $\rightarrow$ Khử trùng Clo $\rightarrow$ Bể chứa nước sạch $\rightarrow$ Trạm bơm cấp II $\rightarrow$ Mạng lưới cấp nước.
    • Phương án 2: Nước ngầm $\rightarrow$ Giàn mưa $\rightarrow$ Bể lọc tiếp xúc $\rightarrow$ Bể lọc nhanh trọng lực $\rightarrow$ Khử trùng Clo $\rightarrow$ Bể chứa nước sạch $\rightarrow$ Trạm bơm cấp II $\rightarrow$ Mạng lưới cấp nước.
Tiêu chí so sánh Phương án 1 (Bể lắng đứng tiếp xúc) Phương án 2 (Bể lọc tiếp xúc)
Tổn thất thủy lực Thấp, vừa lắng cặn vừa tiết kiệm năng lượng Lớn do nước đi từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc
Diện tích xây dựng Tiết kiệm diện tích do hợp khối với giàn mưa Tốn nhiều diện tích hơn, giàn mưa xây cao độc lập
Chi phí thi công Thi công đơn giản, chi phí xây dựng thấp Thi công phức tạp, tốn kém chi phí xây dựng
Vận hành và quản lý Đơn giản, thuận tiện trong quản lý vận hành Khó khăn và phức tạp hơn trong công tác vận hành

Từ kết quả phân tích so sánh, tác giả lựa chọn Phương án 1 để tính toán thiết kế chi tiết.

Chương 3: Tính toán thiết kế các công trình

Chương 3 trình bày các bước tính toán chi tiết cho từng công trình đơn vị thuộc Phương án 1 (công suất $Q_{XL} = 5500\text{ m}^3/\text{ngđ} = 229{,}17\text{ m}^3/\text{h}$), đồng thời tính toán đối sánh bể lọc tiếp xúc của Phương án 2.

1. Giàn mưa làm thoáng tự nhiên

  • Cường độ mưa lựa chọn: $q_m = 14\text{ m}^3/\text{m}^2.\text{h}$.
  • Diện tích mặt bằng tiếp xúc: $F = 16{,}4\text{ m}^2$, chia thành 3 ngăn, diện tích mỗi ngăn $f = 5{,}5\text{ m}^2$ (kích thước $B \times L = 2{,}2\text{ m} \times 2{,}5\text{ m}$).
  • Khối vật liệu tiếp xúc: Than cốc đường kính $d = 24\text{ mm}$, diện tích tiếp xúc đơn vị $f_{tx} = 120\text{ m}^2/\text{m}^3$. Lượng $CO_2$ cần khử $G = 2{,}07\text{ kg/h}$. Chiều cao lớp than cốc tính toán là $0{,}37\text{ m}$, chọn thiết kế 1 lớp dày $0{,}3\text{ m}$ ở mỗi ngăn.
  • Cấu tạo: Giàn mưa 3 tầng, khoảng cách giữa các tầng là $0{,}8\text{ m}$, chiều cao tổng cộng $H = 4{,}7\text{ m}$.
  • Hệ thống phân phối nước: Ống chính bằng thép đường kính trong $D_c = 150\text{ mm}$ (vận tốc thực $1{,}18\text{ m/s}$); 16 ống nhánh đường kính $d = 32\text{ mm}$, mỗi nhánh dài $1{,}016\text{ m}$ khoan 10 lỗ đường kính $8\text{ mm}$ xếp so le $45^\circ$, khoảng cách giữa các tâm lỗ $0{,}203\text{ m}$. Ống dẫn nước sang bể lắng có đường kính $D = 150\text{ mm}$.

2. Bể lắng đứng tiếp xúc

  • Số lượng bể: $N = 2$ bể. Lưu lượng mỗi bể $q = 114{,}59\text{ m}^3/\text{h} = 0{,}032\text{ m}^3/\text{s}$.
  • Thời gian lưu nước: $T = 13{,}5\text{ phút}$ (ứng với $pH_0 = 7{,}15$). Dung tích phần lắng mỗi bể $W = 51{,}56\text{ m}^3$.
  • Kích thước hình học: Tiết diện mặt bằng hình vuông $L \times B = 3{,}2\text{ m} \times 3{,}2\text{ m}$ (diện tích $9{,}92\text{ m}^2$). Chiều cao vùng lắng $H_l = 2{,}6\text{ m}$, chiều cao phần hình trụ $H_{tr} = 3{,}25\text{ m}$, chiều cao phần đáy chóp nón thu cặn $H_n = 2{,}0\text{ m}$ (góc nghiêng $60^\circ$), chiều cao bảo vệ $0{,}5\text{ m}$, tổng chiều cao bể $H_{BL} = 5{,}75\text{ m}$.
  • Ống trung tâm: Đường kính $d_0 = 200\text{ mm}$, chiều cao $H_{tt} = 2{,}34\text{ m}$, vận tốc chảy $0{,}91\text{ m/s}$.
  • Thu nước và xả cặn: Máng vòng thu nước xung quanh thành bể rộng $0{,}1\text{ m}$, cao $0{,}27\text{ m}$; máng tập trung rộng $0{,}9\text{ m}$. Ống xả cặn đường kính $200\text{ mm}$, dung tích phần chứa cặn $W_c = 3{,}55\text{ m}^3$, thời gian giữa hai lần xả cặn là $T = 651{,}33\text{ giờ} \approx 27\text{ ngày}$, lượng nước tổn thất do xả cặn chiếm $0{,}00571%$. Ống dẫn sang bể lọc có đường kính gộp $D = 250\text{ mm}$.

3. Bể lọc nhanh trọng lực

  • Số lượng bể: $N = 3$ bể.
  • Vật liệu lọc: Một lớp cát thạch anh có chiều dày $h_l = 1300\text{ mm}$, cỡ hạt $d_{min} = 0{,}7\text{ mm}$, $d_{max} = 1{,}6\text{ mm}$, đường kính hiệu dụng $d_{10} = 0{,}75 - 0{,}8\text{ mm}$, hệ số không đồng nhất $K = 1{,}3$. Lớp sỏi đỡ dày $h_đ = 200\text{ mm}$ (cỡ hạt $5 - 10\text{ mm}$).
  • Chế độ lọc: Tốc độ lọc bình thường $V_{bt} = 6\text{ m/h}$, tốc độ lọc tăng cường khi rửa một bể $V_{tc} = 9\text{ m/h}$.
  • Kích thước bể: Diện tích mỗi bể $f = 13{,}5\text{ m}^2$, kích thước mặt bằng $L \times B = 3{,}7\text{ m} \times 3{,}7\text{ m}$, chiều cao toàn phần $H = 4{,}5\text{ m}$.
  • Hệ thống phân phối khí - nước rửa lọc bằng chụp lọc: Loại chụp lọc khe hở $0{,}5\text{ mm}$, dài $15\text{ mm}$ (24 khe/chụp). Mật độ bố trí 50 cái/$\text{m}^2$, tổng số 700 chụp lọc/bể gắn trên 14 tấm đan bê tông cốt thép ($1\text{ m} \times 1\text{ m}$).
  • Chế độ rửa lọc: Rửa bằng gió kết hợp nước. Cường độ rửa gió $W_g = 18\text{ l/s.m}^2$, ống gió chính $D_c^g = 125\text{ mm}$, 30 ống gió nhánh $D_n^g = 25\text{ mm}$ (lỗ $\phi 5\text{ mm}$). Cường độ rửa nước $W_n = 8\text{ l/s.m}^2$, ống nước rửa chính $D_c = 300\text{ mm}$, 30 ống nhánh $D_n = 50\text{ mm}$ (mỗi nhánh 10 lỗ $\phi 11\text{ mm}$). Thu nước rửa bằng 2 máng đáy tam giác rộng $0{,}34\text{ m}$, cao $0{,}333\text{ m}$.
  • Thủy lực rửa lọc: Tổng tổn thất áp lực ban đầu trong nội bộ bể lọc $H_t = 4{,}885\text{ m}$. Áp lực cần thiết của bơm rửa lọc $H_r = 15{,}325\text{ m}$ ứng với lưu lượng $Q_r = 0{,}05\text{ m}^3/\text{s}$. Tỷ lệ nước rửa lọc so với công suất trạm là $1{,}45%$.
  • Sân phơi cát lọc: 1 sân có diện tích $F_s = 52{,}65\text{ m}^2$ (kích thước $4{,}8\text{ m} \times 11{,}1\text{ m}$), chứa lượng cát phơi bằng $10%$ tổng thể tích cát ($5{,}265\text{ m}^3$), chiều dày lớp phơi $10\text{ cm}$.

4. Hệ thống khử trùng bằng Clo

  • Hóa chất và thiết bị: Khử trùng bằng Clo lỏng qua Clorator chân không.
  • Liều lượng tính toán: $L_{cl} = 1\text{ mg/l}$.
  • Lượng Clo tiêu thụ: Trong một giờ là $G_{clo}^h = 0{,}2292\text{ kg/h}$, trong một ngày đêm là $5{,}5008\text{ kg/ngđ}$ (tương đương $3{,}74\text{ lít/ngày}$). Lượng Clo tiêu thụ trong 30 ngày là $112{,}2\text{ lít}$, sử dụng 2 bình chứa loại $60\text{ lít}$ (1 bình hoạt động, 1 bình dự phòng).
  • Mặt bằng trạm Clo: Diện tích $12\text{ m}^2$ ($4\text{ m} \times 3\text{ m}$), chia làm 2 phòng riêng biệt gồm buồng đặt Clorator ($4\text{ m}^2$) và buồng chứa bình Clo lỏng kèm cân bàn định lượng ($8\text{ m}^2$). Trang bị hệ thống thông gió tần suất 12 lần/giờ và giàn phun nước áp lực cao trung hòa sự cố rò rỉ Clo.

5. Bể chứa nước sạch

  • Dung tích thiết kế: Bằng $10%$ công suất trạm, tương đương $W = 550\text{ m}^3$.
  • Quy mô: Bố trí 2 bể chứa đơn nguyên, dung tích mỗi bể $W_1 = 275\text{ m}^3$.
  • Kích thước: Bể dạng hình vuông, chiều cao $H = 5\text{ m}$, kích thước mặt bằng $L \times B = 7{,}5\text{ m} \times 7{,}5\text{ m}$ (diện tích $55\text{ m}^2$).

6. Hồ lắng bùn

  • Dung tích tổng cộng: $W = W_n + W_c = 49{,}4564 + 36{,}75 = 86{,}21\text{ m}^3$ (gồm dung tích chứa cặn lưu trong 90 ngày $W_c = 36{,}75\text{ m}^3$ và dung tích nước xả rửa lọc, xả cặn lưu 2 ngày $W_n = 49{,}46\text{ m}^3$).
  • Quy mô: 2 hồ lắng bùn, thể tích mỗi hồ $43{,}1\text{ m}^3$, chiều cao $H = 2\text{ m}$, kích thước mặt bằng $B \times L = 2{,}5\text{ m} \times 4\text{ m}$.

7. Tính toán công trình kiểm chứng thuộc Phương án 2 (Bể lọc tiếp xúc)

  • Số lượng: 2 bể, diện tích mỗi bể $f = 5{,}76\text{ m}^2$ (kích thước $L \times B \times H = 2{,}4\text{ m} \times 2{,}4\text{ m} \times 4{,}6\text{ m}$).
  • Tốc độ lọc: $20\text{ m/h}$. Vật liệu lọc là cát thạch anh cỡ hạt $1{,}5 - 2\text{ mm}$, chiều dày lớp lọc $h_{vl} = 2{,}5\text{ m}$, sỏi đỡ $0{,}15\text{ m}$.
  • Chế độ rửa: Bơm khí $W_g = 25\text{ l/s.m}^2$ trong $1{,}5\text{ phút}$, sau đó rửa kết hợp gió - nước và nước thuần túy $W_n = 20\text{ l/s.m}^2$ trong $4{,}5\text{ phút}$. Chu kỳ rửa cặn là 1 ngày/lần. Bố trí 2 sân phơi cát với tổng diện tích $72\text{ m}^2$ ($8\text{ m} \times 4{,}5\text{ m}$).

Chương 4: Tính toán cao trình công nghệ xử lý nước

Chương 4 xác định cao trình mực nước và tổn thất áp lực liên tục giữa các công trình đơn vị từ giàn mưa, bể lắng đứng tiếp xúc, bể lọc nhanh trọng lực đến bể chứa nước sạch, đảm bảo toàn bộ dây chuyền hoạt động theo nguyên lý tự chảy trọng lực.

Thiết kế và thông số kỹ thuật công trình

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật các công trình đơn vị chính của trạm xử lý nước cấp công suất $5000\text{ m}^3/\text{ngđ}$ (Phương án 1):

Hạng mục công trình Số lượng Kích thước hình học ($D \times R \times C$ hoặc $L \times B \times H$) Thông số công nghệ chủ yếu
Giàn mưa làm thoáng 1 cụm (3 ngăn) $2{,}2\text{ m} \times 2{,}5\text{ m} \times 4{,}7\text{ m}$ (mỗi ngăn) Cường độ mưa $14\text{ m}^3/\text{m}^2.\text{h}$; Than cốc $d=24\text{ mm}$; Khử $75% CO_2$
Bể lắng đứng tiếp xúc 2 bể $3{,}2\text{ m} \times 3{,}2\text{ m} \times 5{,}75\text{ m}$ Thời gian lắng $13{,}5\text{ phút}$; Ống trung tâm $\phi 200\text{ mm}$; Chu kỳ xả cặn 27 ngày
Bể lọc nhanh trọng lực 3 bể $3{,}7\text{ m} \times 3{,}7\text{ m} \times 4{,}5\text{ m}$ Cát lọc dày $1{,}3\text{ m}$ ($d=0{,}7-1{,}6\text{ mm}$); $V_{bt}=6\text{ m/h}, V_{tc}=9\text{ m/h}$; 700 chụp lọc/bể
Trạm khử trùng Clo 1 trạm (2 buồng) $4{,}0\text{ m} \times 3{,}0\text{ m}$ (Diện tích $12\text{ m}^2$) Liều lượng $1\text{ mg/l}$; Tiêu thụ $5{,}5008\text{ kg/ngđ}$; 2 bình Clo $60\text{ lít}$
Bể chứa nước sạch 2 bể $7{,}5\text{ m} \times 7{,}5\text{ m} \times 5{,}0\text{ m}$ Dung tích $W = 550\text{ m}^3$ ($2 \times 275\text{ m}^3$), đáp ứng $10%$ công suất trạm
Hồ lắng bùn 2 hồ $2{,}5\text{ m} \times 4{,}0\text{ m} \times 2{,}0\text{ m}$ Tổng dung tích $86{,}21\text{ m}^3$; Lưu cặn 90 ngày và lưu nước thải 2 ngày
Sân phơi vật liệu lọc 1 sân $11{,}1\text{ m} \times 4{,}8\text{ m}$ (Diện tích $52{,}65\text{ m}^2$) Lớp cát phơi dày $10\text{ cm}$; Chứa $5{,}265\text{ m}^3$ cát ($10%$ thể tích cát lọc)

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán kỹ thuật: Đồ án đã hoàn thành thiết kế hệ thống xử lý nước cấp với công suất $5000\text{ m}^3/\text{ngđ}$ (công suất tính toán $5500\text{ m}^3/\text{ngđ}$). Hệ thống giải quyết triệt để các thành phần ô nhiễm trong nước ngầm: oxy hóa và loại bỏ hàm lượng $Fe^{2+} = 6\text{ mg/l}$ và Fe tổng $10\text{ mg/l}$ về ngưỡng quy chuẩn $\le 0{,}3\text{ mg/l}$; khử khí $H_2S$ từ $0{,}1\text{ mg/l}$ về $\le 0{,}05\text{ mg/l}$; khử $75% CO_2$ hòa tan đưa pH từ $7{,}0$ lên $7{,}15$ đảm bảo tính ổn định của nước ($J = 0{,}3185 < 0{,}5$); xử lý hàm lượng cặn đục từ $24{,}27\text{ mg/l}$ xuống $\le 2\text{ mg/l}$ sau lọc và khử trùng bằng Clo lỏng liều lượng $1\text{ mg/l}$ đảm bảo an toàn vi sinh.
  • Giải pháp công nghệ đề xuất: Thiết lập dây chuyền kết hợp giàn mưa làm thoáng tự nhiên 3 tầng, bể lắng đứng tiếp xúc và bể lọc nhanh trọng lực sử dụng hệ thống chụp lọc phân phối khí - nước rửa lọc.
  • Đóng góp kỹ thuật: Cung cấp cơ sở tính toán chi tiết, minh chứng rõ ràng việc lựa chọn bể lắng đứng tiếp xúc thay thế bể lọc tiếp xúc thông qua bảng so sánh kinh tế - kỹ thuật định lượng (giảm tổn thất áp lực thủy lực, tối ưu hóa mặt bằng thông qua giải pháp hợp khối giàn mưa trên bể lắng, đơn giản hóa quy trình vận hành và tiết kiệm chi phí xây lắp).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thông số tính toán trong đồ án dựa trên các biểu đồ và công thức giải tích theo quy phạm TCXDVN 33:2006 với giả định chất lượng nước nguồn ổn định theo mẫu số 23; chưa có điều kiện thực nghiệm mô hình pilot tại hiện trường để xác định chính xác động học phản ứng oxy hóa sắt theo các mùa trong năm; chưa mở rộng tính toán mạng lưới cấp nước chi tiết ngoài trạm bơm cấp II.
  • Hướng phát triển: Tiếp tục khảo sát biến động chất lượng nước ngầm theo mùa tại địa phương; nghiên cứu lắp đặt mô hình pilot để tối ưu hóa cường độ rửa lọc bằng khí - nước; tích hợp hệ thống đo đạc và điều khiển tự động hóa (SCADA) cho trạm châm Clo và hệ thống van đóng mở rửa lọc tự động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Môi trường, Kỹ thuật Cấp thoát nước và Kỹ thuật Hạ tầng đô thị khi thực hiện đồ án môn học Xử lý nước cấp hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế trạm cấp nước.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Quy trình kiểm tra tính ổn định cacbonat và tính toán thông số hóa lý của nước sau làm thoáng ($P, CO_2, K_i, pH, J$).
  • Phương pháp tính toán thủy lực giàn mưa làm thoáng nhiều tầng có vật liệu tiếp xúc than cốc.
  • Phương pháp thiết kế bể lắng đứng tiếp xúc khử sắt và hệ thống máng thu nước, xả cặn.
  • Chi tiết tính toán bể lọc nhanh trọng lực rửa bằng gió - nước kết hợp sử dụng hệ thống đan bê tông gắn chụp lọc đuôi dài và tính chọn áp lực bơm rửa lọc.
  • Quy chuẩn an toàn và kích thước thiết kế nhà trạm khử trùng Clo lỏng 2 buồng cách ly.

Câu hỏi thường gặp

1. Chất lượng nước nguồn đầu vào có những chỉ tiêu nào vượt quy chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT? Theo kết quả phân tích mẫu số 23, có 3 chỉ tiêu vượt ngưỡng cho phép: Độ oxy hóa $KMnO_4$ đạt $5{,}4\text{ mg/l}$ (quy chuẩn $\le 2\text{ mg/l}$); Hàm lượng sắt tổng số đạt $10\text{ mg/l}$ với $Fe^{2+} = 6\text{ mg/l}$ (quy chuẩn $\le 0{,}3\text{ mg/l}$); Hàm lượng $H_2S$ đạt $0{,}1\text{ mg/l}$ (quy chuẩn $\le 0{,}05\text{ mg/l}$).

2. Vì sao đồ án lựa chọn Phương án 1 (Bể lắng đứng tiếp xúc) thay vì Phương án 2 (Bể lọc tiếp xúc)? Phương án 1 được chọn vì có tổn thất thủy lực thấp hơn, tiết kiệm diện tích xây dựng nhờ khả năng hợp khối trực tiếp giàn mưa phía trên bể lắng, biện pháp thi công đơn giản, chi phí đầu tư thấp hơn và công tác quản lý vận hành định kỳ dễ dàng hơn so với bể lọc tiếp xúc ở Phương án 2.

3. Giàn mưa làm thoáng tự nhiên được thiết kế với quy mô và vật liệu như thế nào? Giàn mưa có tổng diện tích tiếp xúc $16{,}4\text{ m}^2$, chia làm 3 ngăn ($2{,}2\text{ m} \times 2{,}5\text{ m}$), thiết kế 3 tầng với chiều cao tổng thể $4{,}7\text{ m}$. Lớp vật liệu tiếp xúc là than cốc đường kính $24\text{ mm}$ dày $0{,}3\text{ m}$ ở mỗi ngăn, cường độ mưa thiết kế $14\text{ m}^3/\text{m}^2.\text{h}$, giúp giảm $75% CO_2$ hòa tan.

4. Bể lọc nhanh trọng lực sử dụng thông số vật liệu lọc và chế độ rửa lọc ra sao? Bể lọc nhanh gồm 3 bể (mỗi bể $3{,}7\text{ m} \times 3{,}7\text{ m} \times 4{,}5\text{ m}$), sử dụng một lớp cát thạch anh dày $1300\text{ mm}$ ($d = 0{,}7 - 1{,}6\text{ mm}$, $K = 1{,}3$), tốc độ lọc bình thường $6\text{ m/h}$, tăng cường $9\text{ m/h}$. Bể rửa bằng gió ($18\text{ l/s.m}^2$) kết hợp nước ($8\text{ l/s.m}^2$) qua 700 chụp lọc khe $0{,}5\text{ mm}$ trên mỗi bể, tỷ lệ nước rửa chiếm $1{,}45%$ công suất.

5. Lượng hóa chất Clo khử trùng tiêu thụ mỗi ngày và quy mô trạm Clo là bao nhiêu? Với liều lượng Clo tính toán $1\text{ mg/l}$, lượng Clo lỏng tiêu thụ trong ngày là $5{,}5008\text{ kg/ngđ}$ ($3{,}74\text{ lít/ngày}$). Lượng dự trữ 30 ngày là $112{,}2\text{ lít}$, bố trí 2 bình chứa loại $60\text{ lít}$. Nhà trạm Clo có diện tích $12\text{ m}^2$ chia thành 2 buồng riêng biệt (buồng Clorator $4\text{ m}^2$ và buồng bình Clo $8\text{ m}^2$).

Kết luận

Đồ án "Xử lý nước cấp với công suất 5000 m³/ngđ" của sinh viên Dương Thị Bích Hằng và Nguyễn Thị Hạnh đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm sắt, $H_2S$ và chất hữu cơ. Bằng phương pháp tính toán kỹ thuật dựa trên tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006 và QCVN 01-1:2018/BYT, tác giả đã chứng minh tính tối ưu của dây chuyền công nghệ gồm giàn mưa, bể lắng đứng tiếp xúc, bể lọc nhanh trọng lực và khử trùng Clo lỏng. Toàn bộ các công trình đơn vị đều được xác định chi tiết về kích thước hình học, cấu tạo cơ học và thông số thủy lực, đảm bảo tính khả thi cao trong thiết kế thi công công trình cấp nước thực tế.