Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nước sạch là tài nguyên thiết yếu phục vụ đời sống sinh hoạt của con người và là nguồn nguyên liệu đầu vào không thể thay thế trong các hoạt động sản xuất công nghiệp, chế biến thực phẩm, giải khát. Trước tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng tại tỉnh Bình Phước, nhu cầu sử dụng nước sạch gia tăng mạnh mẽ, đặc biệt tại các khu vực tập trung nhiều khu công nghiệp (KCN) như KCN Chơn Thành I, KCN Chơn Thành II, KCN Minh Hưng 3, KCN Minh Hưng – Hàn Quốc và KCN Becamex – Bình Phước. Để đáp ứng nhu cầu này, Công ty Cổ phần Nước – Môi trường Bình Dương (BIWASE) đã đầu tư xây dựng Chi nhánh Cấp nước Chơn Thành với giai đoạn 1 có tổng mức đầu tư 330 tỷ đồng, khai thác nguồn nước mặt từ kênh thủy lợi Phước Hòa – Dầu Tiếng.

Tuy nhiên, nguồn nước mặt tự nhiên luôn chịu tác động từ sự thay đổi thời tiết, nước mưa cuốn trôi chất bẩn và hoạt động kinh tế - xã hội, dẫn đến biến động về hàm lượng cặn lơ lửng, độ đục, sắt và amoni. Việc đánh giá hiệu quả vận hành thực tế của dây chuyền công nghệ xử lý nước tại nhà máy là yêu cầu cấp thiết nhằm nhận diện những hạn chế kỹ thuật, sự cố phát sinh và đề xuất biện pháp tối ưu hóa chất lượng nước sau xử lý theo tiêu chuẩn y tế hiện hành.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Hoàng Thảo Vy (ngành Quản lý tài nguyên và môi trường, Trường Đại học Lâm Nghiệp – Phân hiệu Đồng Nai) tập trung giải quyết các mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu đánh giá quy trình công nghệ xử lý nước cấp tại Công ty Cổ phần Nước – Môi trường Bình Dương chi nhánh Chơn Thành và đề xuất các giải pháp khắc phục góp phần giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước sạch tại khu vực nghiên cứu.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Khảo sát được quy trình công nghệ xử lý nước cấp tại Nhà máy cấp nước chi nhánh Chơn Thành.
    • Xác định được hiện trạng chất lượng nước cấp sinh hoạt tại Nhà máy cấp nước chi nhánh Chơn Thành.
    • Đề ra được các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước cấp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống xử lý nước cấp của Nhà máy cấp nước BIWASE chi nhánh Chơn Thành, tỉnh Bình Phước.
  • Phạm vi không gian: Khuôn viên Nhà máy cấp nước BIWASE chi nhánh Chơn Thành (Ấp Mỹ Hưng, xã Thành Tâm, huyện Chơn Thành, tỉnh Bình Phước) và Trạm bơm nước thô cấp I đặt tại bờ hữu kênh thủy lợi Phước Hòa – Dầu Tiếng (Ấp 1, xã Trừ Văn Thố, huyện Bàu Bàng, tỉnh Bình Dương).
  • Phạm vi thời gian: Đề tài thực hiện khảo sát từ tháng 02/2020 đến tháng 05/2020; kế thừa chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước định kỳ từ tháng 08/2019 đến tháng 01/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và căn cứ pháp lý

Khóa luận vận dụng hệ thống lý thuyết về công nghệ xử lý nước mặt cấp sinh hoạt và công nghiệp:

  • Các quá trình xử lý cơ học: Tách rác qua song chắn rác và lưới chắn rác cửa thu; lắng sơ bộ, lắng trọng lực làm giảm 90 – 95% vi trùng nhờ hấp phụ vào bông cặn; quá trình lọc qua lớp vật liệu hạt (cát thạch anh) để loại bỏ cặn lơ lửng và chất keo tụ.
  • Các quá trình xử lý hóa lý: Làm thoáng (oxy hóa sắt, mangan và đuổi khí hòa tan $CO_2, H_2S$); clo hóa sơ bộ để bảo vệ đường ống truyền dẫn và ức chế rong rêu; quá trình khuấy trộn nhanh và keo tụ – tạo bông sử dụng phèn nhôm Polyaluminum Chloride (PAC), kiềm hóa điều chỉnh pH bằng vôi sữa $Ca(OH)_2$; quá trình khử trùng tiêu diệt vi sinh vật bằng khí clo qua hệ thống Ejector với thời gian tiếp xúc tối thiểu 30 phút.
  • Văn bản quy chuẩn so sánh:
    • QCVN 08-MT:2015/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt (đối chiếu chất lượng nước thô đầu vào theo cột A2).
    • QCVN 01-1:2018/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt (đối chiếu chất lượng nước thành phẩm).
    • QCVN 02:2009/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt được tham chiếu trong các tổng quan nghiên cứu liên quan.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Tác giả đã triển khai 4 phương pháp nghiên cứu chính:

  1. Phương pháp thu thập và kế thừa số liệu: Thu thập tài liệu thiết kế kỹ thuật, hồ sơ sơ đồ công nghệ, tài liệu vận hành nhà máy và chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước thô tại hồ Phước Hòa cùng chất lượng nước sạch tại bể chứa qua các tháng (08/2019 – 01/2020).
  2. Phương pháp khảo sát hiện trường: Trực tiếp quan sát, ghi nhận thực tế cấu tạo các công trình đơn vị (trạm bơm, bể trộn, bể phản ứng, bể lắng, bể lọc, bể chứa, trạm châm hóa chất, trạm SCADA), chu trình rửa lọc, quy trình xả bùn và các sự cố kỹ thuật trong quá trình vận hành.
  3. Phương pháp so sánh: Đối chiếu các thông số lý hóa, vi sinh của nước thô với QCVN 08-MT:2015/BTNMT (cột A2) và nước sau xử lý với QCVN 01-1:2018/BYT.
  4. Phương pháp xử lý số liệu: Thống kê, xử lý số liệu quan trắc và biểu diễn xu hướng biến động các chỉ tiêu bằng phần mềm Microsoft Excel 2010.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu

Chương này hệ thống hóa các kiến thức chuyên ngành về cấp nước, bản chất các nguồn nước tự nhiên (nước mặt, nước ngầm, nước mưa) và cơ chế xử lý cơ học, hóa lý. Tác giả phân tích các thông số đánh giá chất lượng nước lý - hóa - sinh (nhiệt độ, độ màu, độ đục, TSS, SS, pH, độ cứng, độ kiềm, DO, Sunfat, Florua, Sắt, Mangan, các hợp chất Nitơ, Coliform, E.Coli).

Chương 1 cũng tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới (Sotirios Karavoltsos về nước uống tại Hy Lạp; Moresoli về tắc nghẽn màng siêu lọc UF; Falkinham III về khử mangan sinh học; Huaqiang Chu về màng động diatomite; Adgar về tự động hóa bằng mạng nơ-ron ANN) và tại Việt Nam (Nguyễn Việt Anh về tuyển nổi áp lực; Nguyễn Kim Sơn về chất keo tụ PFC/PAFC; Nguyễn Hoàng Sơn về phóng điện vầng quang; Nguyễn Huy Chương về đất ngập nước kiến tạo; Trương Thị Thảo về hàm lượng sắt, mangan tại nhà máy nước Diễn Vọng).

Về địa bàn nghiên cứu, nhà máy tọa lạc tại xã Thành Tâm, huyện Chơn Thành, diện tích xây dựng khoảng $20.000\text{ m}^2$, trạm bơm cấp I có diện tích khoảng $3.000\text{ m}^2$ tại Bàu Bàng, khai thác nước từ hồ thủy lợi Phước Hòa (diện tích 2.077 ha, lưu lượng điều tiết $75\text{ m}^3/\text{s}$). Nhà máy có công suất thiết kế ban đầu $30.000\text{ m}^3/\text{ngày}$, cấp nước cho hơn 4.000 khách hàng và 5 KCN lân cận, định hướng mở rộng lên $60.000\text{ m}^3/\text{ngày}$ phục vụ 100.000 dân.

Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung chương trình bày chi tiết về đối tượng nghiên cứu (hệ thống xử lý nước cấp của nhà máy), phạm vi không gian (nhà máy và trạm bơm cấp I) và thời gian (tháng 02/2020 – 05/2020). Tác giả xác lập 3 nội dung trọng tâm: hiện trạng sơ đồ công nghệ, hiện trạng chất lượng nước, và hiệu quả xử lý cùng giải pháp nâng cao hiệu quả. Bốn phương pháp nghiên cứu kỹ thuật môi trường (kế thừa số liệu, khảo sát hiện trường, so sánh quy chuẩn và xử lý số liệu trên Excel) được chuẩn hóa làm công cụ thực hiện.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 là phần trọng tâm, phản ánh toàn bộ kết quả phân tích chất lượng nước và cấu tạo dây chuyền công nghệ:

  • Đặc tính nước thô đầu vào: Phân tích số liệu từ tháng 08/2019 đến tháng 01/2020 cho thấy chất lượng nước thô hồ Phước Hòa cơ bản đạt chuẩn cột A2 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT về pH, độ cứng, TDS, Florua, dầu mỡ. Tuy nhiên, vào mùa mưa (tháng 8 – 11/2019), các chỉ tiêu Amoni ($0{,}4\text{ mg/L}$, vượt 1,33 lần quy chuẩn), Sắt tổng ($2{,}26\text{ mg/L}$, vượt 2,26 lần) và chất rắn lơ lửng SS ($89 - 100\text{ mg/L}$, vượt tối đa 3,07 lần) tăng cao do nước mưa cuốn trôi chất bẩn và rửa trôi đất bề mặt.
  • Thuyết minh dây chuyền công nghệ:
    • Công trình thu và Trạm bơm cấp I: Nước từ kênh Phước Hòa qua ống D600, ngăn lắng sơ bộ và lưới chắn rác, được 4 máy bơm ($Q = 350\text{ m}^3/\text{h}, H = 55\text{ m}, P = 55\text{ kW}$) đẩy qua tuyến ống D600 (dài 3.000 m) và D800 (dài 500 m) dọc Quốc lộ 13 về trạm xử lý. Nước được châm clo sơ bộ để khử khuẩn và chống rêu bám đường ống.
    • Bể trộn đứng: Bằng bê tông cốt thép, đường kính 3,6 m, cao 2 m phần trên, đáy côn $58^\circ$, chiều cao toàn phần 6,8 m, thời gian lưu nước 1,1 phút. Vôi sữa được châm để ổn định pH (định mức $0{,}002\text{ kg/m}^3$, 2 bồn khuấy dung tích $12\text{ m}^3$); phèn PAC được châm tạo keo tụ (định mức $0{,}035\text{ kg/m}^3$, nồng độ dung dịch $10 - 20%$, liều lượng $30 - 42\text{ g/m}^3$ qua 2 bơm định lượng $P = 250\text{ W}, Q_{\text{max}} = 6.600\text{ L/h}$).
    • Bể phản ứng cặn lơ lửng: Dài 4,4 m, chia làm 2 bể rộng 5,5 m (mỗi bể 4 ngăn). Vận tốc nước mương dẫn là $0{,}312\text{ m/s}$, mương rộng 440 mm.
    • Bể lắng ngang: Chiều cao 5,6 m, chia 2 đơn nguyên (vách bê tông dày 350 mm), thời gian lưu nước 45 – 60 phút. Nhà máy lắp đặt tấm lamen giúp nâng công suất thực tế từ $15.000\text{ m}^3/\text{ngày}$ lên $20.000 - 22.000\text{ m}^3/\text{ngày}$. Thu nước sau lắng bằng hệ thống 5 máng răng cưa inox/đơn nguyên; trang bị cầu cào bùn tự động định kỳ.
    • Bể lọc nhanh: Gồm 3 đơn nguyên (cao 4,8 m, chiều dài mương dẫn 14,4 m), sử dụng cát thạch anh ($d = 1{,}6\text{ mm}$, lớp cát dày 1.200 mm), độ đục sau lọc đạt $< 1\text{ NTU}$. Hệ thống rửa lọc kết hợp gió và nước gồm 2 bơm nước ($Q = 350\text{ m}^3/\text{h}, H = 15\text{ m}, \text{ống D300}$) và 2 bơm gió ($Q = 1.514\text{ m}^3/\text{h}, H = 50\text{ m}, \text{ống D200}$).
    • Bể chứa nước sạch và Trạm bơm cấp II: Bể chứa dung tích $3.000\text{ m}^3$ kết cấu nửa nổi nửa chìm, phủ lớp đất đá 30 cm trồng cỏ gừng để làm mát. Nước được khử trùng bằng khí clo qua Ejector (định mức $0{,}0015\text{ kg/m}^3$, thời gian lưu 30 phút). Trạm bơm cấp II gồm 2 bơm $75\text{ kW}$ ($Q = 350\text{ m}^3/\text{h}, H = 55\text{ m}$) và 2 bơm $132\text{ kW}$ ($Q = 840\text{ m}^3/\text{h}, H = 45\text{ m}$) vận hành luân phiên bình quân 12 giờ/ngày.
    • Tuần hoàn nước rửa lọc và xử lý bùn: Nước rửa lọc được thu hồi về bể lắng 4 giờ, sau đó bơm tuần hoàn ($P = 15\text{ kW}, Q = 150\text{ m}^3/\text{h}$) về bể trộn; cặn bùn được dẫn về 3 hồ thu bùn riêng biệt.
    • Hệ thống tự động hóa: Toàn bộ trạm bơm thô, trạm châm hóa chất, bể chứa và trạm bơm cấp II được giám sát và điều khiển qua hệ thống SCADA.

Kết quả và đóng góp

Dữ liệu chất lượng nước quan trắc

Chất lượng nước thô đầu vào hồ Phước Hòa và các chỉ tiêu vượt ngưỡng trong giai đoạn quan trắc được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị T8/2019 T9/2019 T10/2019 T11/2019 T12/2019 T1/2020 QCVN 08-MT:2015/BTNMT (Cột A2)
Độ pH - 7,03 - - - - - 6,0 – 8,5
Độ cứng mg/L 22 22 20 20 18 18 Không quy định
TDS mg/L 28 25 25 27 25 22 Không quy định
Độ đục NTU 165 134 142 33 30 25 Không quy định
Độ màu Pt-Co 231 925 773 26 187 122 Không quy định
Florua ($F^-$) mg/L KPH KPH KPH KPH 0,02 - $\le 1{,}5$
Tổng dầu, mỡ mg/L KPH KPH KPH KPH KPH KPH $\le 0{,}5$
Amoni ($NH_4^+$) mg/L 0,40 - 0,40 0,40 - - 0,30
Sắt tổng ($Fe_{\text{tc}}$) mg/L 2,26 - 2,26 - - - 1,00
Chất rắn lơ lửng (SS) mg/L 100 89 92 13 15 12 30

(Ghi chú: KPH: Không phát hiện; KQĐ: Không quy định).

Đánh giá công nghệ và thông số vận hành

Hệ thống xử lý vận hành hiệu quả với các thông số kỹ thuật then chốt:

  • Hiệu quả xử lý: Độ đục sau lọc giảm từ $25 - 165\text{ NTU}$ xuống $< 1\text{ NTU}$; các chỉ tiêu pH, Clorua, Pecmanganate, Amoni, Sắt tổng, Sunfat, Clo dư và Nitrat sau lọc và khử trùng đều đạt quy chuẩn nước sạch sinh hoạt QCVN 01-1:2018/BYT.
  • Tối ưu hóa công suất: Nhờ bổ sung khối lắng lamen trong bể lắng ngang, công suất xử lý thực tế của cụm lắng tăng từ $15.000\text{ m}^3/\text{ngày}$ lên $20.000 - 22.000\text{ m}^3/\text{ngày}$ mà không cần mở rộng diện tích xây dựng bể.
  • Tiết kiệm tài nguyên: Nước rửa lọc được thu hồi, lắng bùn trong 4 giờ và bơm tuần hoàn $100%$ về bể trộn với lưu lượng $150\text{ m}^3/\text{h}$, giảm thất thoát nước thô.

Đề xuất giải pháp của tác giả

Khóa luận đưa ra 2 nhóm giải pháp nhằm khắc phục sự cố và nâng cao hiệu quả:

  1. Giải pháp công nghệ:
    • Duy trì kiểm tra, bảo dưỡng định kỳ hệ thống châm PAC và vôi sữa, tránh hiện tượng nghẹt bơm định lượng hoặc đóng cặn đường ống.
    • Tối ưu hóa chu kỳ xả bùn tự động ở bể lắng và thời gian rửa lọc bằng gió – nước kết hợp để duy trì chất lượng lọc khi nước thô mùa mưa có SS cao.
    • Tăng cường kiểm soát liều lượng clo sơ bộ và clo khử trùng qua hệ thống Ejector để đảm bảo nồng độ clo dư trên toàn mạng lưới phân phối mà không tạo mùi khó chịu.
  2. Giải pháp quản lý:
    • Nâng cao tính chuẩn xác của hệ thống điều khiển tự động SCADA trong giám sát áp lực đường ống, lưu lượng bơm cấp I, cấp II và kiểm soát nồng độ hóa chất.
    • Tăng cường công tác quan trắc định kỳ nguồn nước mặt tại hồ Phước Hòa để chủ động điều chỉnh liều lượng PAC theo biến động độ đục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài: Thời gian thực hiện đề tài giới hạn trong 4 tháng (02/2020 – 05/2020); chuỗi số liệu thứ cấp kế thừa gồm 6 đợt quan trắc (08/2019 – 01/2020) nên chưa bao quát đầy đủ sự biến động theo chu kỳ nhiều năm của nguồn nước hồ Phước Hòa.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Khóa luận mở ra hướng nghiên cứu mở rộng quan trắc chất lượng nước thô và nước sạch liên tục 12 tháng trong năm; nghiên cứu mô hình hóa và tối ưu hóa liều lượng châm phèn tự động dựa trên cảm biến đo độ đục trực tuyến kết nối SCADA khi nhà máy triển khai nâng công suất lên $60.000\text{ m}^3/\text{ngày}$.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Kỹ thuật Cấp thoát nước: Cung cấp tài liệu thực tế về tính toán cấu tạo hình học, thông số vận hành và thủy lực của các công trình xử lý nước mặt quy mô công nghiệp (bể trộn đứng đáy côn, bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng, bể lắng ngang gắn lamen, bể lọc nhanh cát thạch anh).
  • Kỹ sư và cán bộ vận hành trạm cấp nước: Tham khảo quy trình quản lý hóa chất (PAC, vôi sữa, clo), chu trình rửa lọc kết hợp khí – nước, hệ thống tuần hoàn nước rửa lọc và mô hình kiểm soát tự động qua SCADA.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn nước thô của Nhà máy nước Chơn Thành được lấy từ đâu và có đặc điểm chất lượng như thế nào?

Nguồn nước thô được khai thác từ kênh thủy lợi Phước Hòa – Dầu Tiếng (thuộc hồ Phước Hòa rộng 2.077 ha) qua trạm bơm cấp I đặt tại xã Trừ Văn Thố, Bàu Bàng. Nước thô có chất lượng tương đối tốt trong mùa khô, nhưng vào mùa mưa (tháng 8 – 11/2019), hàm lượng chất rắn lơ lửng SS ($89 - 100\text{ mg/L}$), Sắt tổng ($2{,}26\text{ mg/L}$) và Amoni ($0{,}4\text{ mg/L}$) tăng cao, vượt ngưỡng cột A2 QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

2. Các loại hóa chất chính được sử dụng trong dây chuyền công nghệ và liều lượng định mức là bao nhiêu?

Nhà máy sử dụng 3 loại hóa chất chính:

  • Vôi sữa: Định mức $0{,}002\text{ kg/m}^3$ nước sạch, pha trong 2 bồn khuấy $12\text{ m}^3$ dùng để nâng và ổn định pH.
  • Phèn PAC: Định mức $0{,}035\text{ kg/m}^3$ nước sạch, nồng độ dung dịch $10 - 20%$, liều lượng châm $30 - 42\text{ g/m}^3$ để keo tụ tạo bông.
  • Khí Clo: Định mức $0{,}0015\text{ kg/m}^3$ nước sạch, châm bằng nguyên lý Ejector tại bể chứa với thời gian tiếp xúc 30 phút để khử trùng và duy trì clo dư trên mạng lưới.

3. Nhà máy áp dụng giải pháp kỹ thuật nào để nâng công suất bể lắng ngang?

Nhà máy đã lắp đặt hệ thống tấm lắng lamen bên trong bể lắng ngang 2 đơn nguyên, giúp rút ngắn quãng đường lắng của bông cặn và tăng diện tích lắng hiệu dụng. Nhờ đó, công suất của bể lắng tăng từ $15.000\text{ m}^3/\text{ngày}$ lên mức $20.000 - 22.000\text{ m}^3/\text{ngày}$.

4. Nước rửa lọc tại bể lọc nhanh được xử lý và tái sử dụng như thế nào?

Nước rửa lọc chứa bông cặn từ bể lọc nhanh được xả bằng máng bê tông cốt thép và ống thép D400 dẫn về bể thu hồi. Nước được lắng tĩnh trong thời gian 4 giờ; phần bùn cặn lắng xuống được xả về 3 hồ thu bùn, còn phần nước trong bề mặt được trạm bơm ($P = 15\text{ kW}, Q = 150\text{ m}^3/\text{h}$) bơm tuần hoàn ngược về bể trộn để tái xử lý.

5. Hệ thống SCADA đóng vai trò gì trong công tác quản lý vận hành tại chi nhánh?

Hệ thống SCADA thực hiện giám sát và điều khiển tự động toàn bộ dây chuyền: theo dõi lưu lượng và áp lực tuyến ống truyền tải nước thô từ trạm bơm cấp I, định lượng và kiểm soát nồng độ hóa chất châm tại bể trộn, theo dõi nồng độ clo dư trong bể chứa nước sạch, điều khiển máy bơm cấp II và trạm tăng áp để cấp nước ổn định ra mạng lưới.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Hoàng Thảo Vy đã khảo sát và phân tích toàn diện quy trình công nghệ xử lý nước cấp công suất $30.000\text{ m}^3/\text{ngày}$ tại BIWASE Chi nhánh Chơn Thành, tỉnh Bình Phước. Kết quả nghiên cứu khẳng định dây chuyền công nghệ gồm keo tụ PAC, kiềm hóa bằng vôi, lắng lamen, lọc nhanh cát thạch anh và khử trùng clo vận hành ổn định, xử lý triệt để độ đục, sắt và cặn lơ lửng mùa mưa, đưa chất lượng nước đạt QCVN 01-1:2018/BYT. Các số liệu kỹ thuật, sơ đồ công nghệ và đề xuất giải pháp trong khóa luận phản ánh chính xác thực tế sản xuất, có giá trị ứng dụng cao cho công tác quản lý và vận hành trạm cấp nước đô thị - công nghiệp.