Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội và tốc độ đô thị hóa gia tăng nhanh chóng, nhu cầu sử dụng nước sạch phục vụ sinh hoạt và các hoạt động công nghiệp trở thành một trong những điều kiện thiết yếu. Tuy nhiên, các nguồn nước mặt tự nhiên (sông, suối, ao, hồ) đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt và suy giảm chất lượng nghiêm trọng do chịu tác động trực tiếp từ nước thải sinh hoạt, sản xuất công nghiệp và các hoạt động nông nghiệp. Hầu hết các nguồn nước thiên nhiên chưa qua xử lý đều không đáp ứng được quy chuẩn kỹ thuật phục vụ ăn uống và sinh hoạt. Do đó, việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết kế hệ thống xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt có ý nghĩa thực tiễn quan trọng nhằm đảm bảo an ninh nguồn nước, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và thúc đẩy sự phát triển bền vững của các khu dân cư tập trung.
Mục tiêu tổng quát của đồ án là tính toán và lựa chọn phương án công nghệ tối ưu để thiết kế hệ thống xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt cho một khu đô thị có quy mô dân số 35.000 người, đảm bảo chất lượng nước thành phẩm đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống hiện hành.
Để đạt được mục tiêu nêu trên, các nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế cụ thể được xác định theo đề cương bao gồm:
- Tổng quan về đặc trưng thành phần, tính chất và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nguồn nước mặt.
- Tổng quan các phương pháp, công trình thu, vận chuyển và xử lý nước mặt hiện hành.
- Tính toán nhu cầu dùng nước và cân bằng lưu lượng cấp nước cho khu đô thị theo các thành phần tiêu thụ.
- Đề xuất 02 phương án dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp, phân tích ưu - nhược điểm kỹ thuật và lựa chọn phương án tối ưu.
- Tính toán kích thước hình học, thông số thủy lực của các công trình đơn vị trong dây chuyền công nghệ đã chọn (bể trộn cơ khí, bể phản ứng - tạo bông, bể lắng ngang, bể lọc nhanh, bể chứa nước sạch, hệ thống khử trùng).
- Tính toán công suất và lựa chọn các thiết bị công nghệ phụ trợ (máy khuấy cơ khí, hệ thống ống dẫn, thiết bị phân phối).
- Thiết lập hệ thống bản vẽ kỹ thuật gồm bản vẽ mặt bằng tổng thể, mặt cắt công nghệ và chi tiết công trình đơn vị (khổ giấy A2).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và các công trình đơn vị xử lý nước cấp sử dụng nguồn nước mặt; các thông số lý - hóa - vi sinh của nước thô và nước sạch.
- Phạm vi không gian: Áp dụng thiết kế cho khu đô thị loại II (nội đô) với quy mô dân số tính toán là 35.000 người.
- Phạm vi thời gian: Đồ án môn học Kỹ thuật xử lý nước cấp, hoàn thành vào tháng 05/2019 (giao đề ngày 15/01/2018) tại Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành Cấp thoát nước, các định luật thủy lực và nguyên lý hóa lý trong công nghệ làm sạch nước:
- Khung quy chuẩn kỹ thuật: QCVN 01:2009/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống); Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 33:2006 (Cấp nước - Mạng lưới đường ống và công trình - Tiêu chuẩn thiết kế); các tiêu chuẩn tính toán cấp nước đô thị loại II.
- Cơ sở lý thuyết công nghệ: Lý thuyết bền vững hệ keo và cơ chế keo tụ - tạo bông (lực hút Van der Waals, điện tích bề mặt hạt keo 0,001 – 1 $\mu\text{m}$); nguyên lý lắng trọng lực của hạt cặn trong môi trường chất lỏng (vận tốc lắng cặn $U_0$); cơ chế lọc qua tầng vật liệu hạt (sàng lọc cơ học, lắng quán tính, dính bám và hấp phụ); cơ chế oxy hóa khử trùng vi sinh vật bằng hợp chất clo.
- Phương pháp nghiên cứu và tính toán:
- Phương pháp phân tích, đánh giá chất lượng nguồn nước: So sánh 17 chỉ tiêu phân tích lý - hóa - vi sinh của nguồn nước thô với ngưỡng giới hạn cho phép của QCVN 01:2009/BYT để xác định các chỉ tiêu bắt buộc phải xử lý.
- Phương pháp cân bằng lưu lượng: Xác định lưu lượng nước sinh hoạt ($Q_{\text{sh}}$), công cộng ($Q_{\text{cc}}$), dịch vụ ($Q_{\text{cndv}}$), rò rỉ thất thoát ($Q_{\text{tt}}$), tự dùng trong nhà máy ($Q_{\text{nm}}$) và lượng nước dự phòng ($Q_{\text{dp}}$) để thiết lập lưu lượng ngày trung bình ($Q_{\text{ngày tb}}$) và ngày lớn nhất ($Q_{\text{ngày max}}$).
- Phương pháp so sánh phương án: Phân tích kỹ thuật giữa dây chuyền sử dụng bể lắng ngang kết hợp bể phản ứng cơ khí và dây chuyền sử dụng bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng dựa trên độ ổn định vận hành, diện tích chiếm đất và khả năng thích ứng công suất.
- Phương pháp tính toán công trình và thủy lực: Tính toán dung tích công trình, kiểm tra thời gian lưu nước ($t$), gradient vận tốc khuấy trộn ($G$), công suất máy khuấy ($P$), vận tốc dòng chảy qua các vách ngăn/đường ống và kiểm tra chế độ chảy qua chuẩn số Reynolds ($\text{Re}$).
- Nguồn dữ liệu: Số liệu thực nghiệm chất lượng nguồn nước mặt do Bộ môn Cấp Thoát Nước cung cấp; các hệ số thực nghiệm trích dẫn từ tài liệu chuyên ngành xử lý nước cấp của Rushton và các quy phạm tính toán kỹ thuật môi trường.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng quan về nước mặt
Nội dung chương I hệ thống hóa các kiến thức cơ sở về nguồn nước mặt tự nhiên, các nguồn gây nhiễm bẩn và phân loại các chất ô nhiễm trong nước theo trạng thái pha và kích thước hạt:
- Nhóm chất rắn lơ lửng ($d > 1,\mu\text{m}$, chủ yếu $0{,}05 - 0{,}2,\text{mm}$): Đất sét, cát, vi trùng ($1 - 10,\mu\text{m}$), tảo, chất thải hữu cơ.
- Nhóm chất keo ($d = 0{,}001 - 1,\mu\text{m}$): Đất sét mịn, protein, hợp chất keo $\text{Fe(OH)}_3$, chất mùn, virus ($0{,}03 - 0{,}3,\mu\text{m}$).
- Nhóm chất hòa tan ($d < 0{,}001,\mu\text{m}$): Các ion khoáng ($\text{K}^+$, $\text{Na}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{NH}_4^+$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{Cl}^-$, $\text{PO}_4^{3-}$), các chất khí hòa tan ($\text{CO}_2$, $\text{O}_2$, $\text{N}_2$, $\text{CH}_4$, $\text{H}_2\text{S}$).
Chương I phân tích chi tiết tác động của 3 nhóm chỉ tiêu chất lượng nước:
- Chỉ tiêu lý học: Nhiệt độ, độ màu (thang Platin - Coban), độ đục ($\text{NTU}$, $\text{FTU}$, $\text{mg SiO}_2/\text{L}$), mùi vị, độ nhớt, độ dẫn điện, hoạt độ phóng xạ tổng số $\alpha$ và $\beta$.
- Chỉ tiêu hóa học: Độ $\text{pH}$, độ kiềm toàn phần (chuẩn độ $\text{HCl}/\text{H}_2\text{SO}_4$), độ cứng (phân loại mềm $<50,\text{mg CaCO}_3/\text{L}$, trung bình $50-150,\text{mg CaCO}_3/\text{L}$, cứng $150-300,\text{mg CaCO}_3/\text{L}$, rất cứng $>300,\text{mg CaCO}_3/\text{L}$), độ oxy hóa $\text{KMnO}_4$, các hợp chất nitơ ($\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$), silic ($\text{SiO}_2$), clorua, sunfat, florua, sắt ($\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$), mangan ($\text{Mn}^{2+}$), nhôm ($\text{Al}^{3+}$), khí hòa tan.
- Chỉ tiêu vi sinh: Vi khuẩn gây bệnh đường ruột, virus, nguyên sinh động vật (Giardia lamblia), tảo đơn bào.
Chương II: Tổng quan về các phương pháp xử lý nước mặt
Chương II tổng thuật các công trình và công nghệ xử lý nước mặt từ khâu thu nước thô đến hoàn thiện nước sạch:
- Công trình thu và trạm bơm: Công trình thu nước bờ sông, lòng sông, hình đấu; trạm bơm cấp I vận chuyển nước thô về trạm xử lý và trạm bơm cấp II đưa nước sạch vào mạng lưới phân phối.
- Phương pháp cơ học:
- Hồ chứa và lắng sơ bộ để điều hòa lưu lượng, giảm nồng độ cặn lơ lửng và tự làm sạch.
- Các dạng bể lắng: Bể lắng đứng (vận tốc dâng $0{,}3 - 0{,}5,\text{mm/s}$); bể lắng ngang (vận tốc dòng chảy $\le 16{,}3,\text{mm/s}$, phù hợp công suất lớn); bể lắng lớp mỏng (bản vách nghiêng $45^\circ - 60^\circ$, giảm diện tích $5{,}26$ lần); bể lắng ly tâm trang bị hệ thống gạt bùn cơ khí; bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng (vận tốc nước dâng $\le 0{,}85,\text{mm/s}$, thời gian lưu $1{,}5 - 2,\text{giờ}$).
- Quá trình lọc nước: Thiết bị lọc nhanh trọng lực, lọc chậm, lọc hở, lọc áp lực; vật liệu lọc gồm cát thạch anh, than cốc, sỏi nghiền, than antraxit; cơ chế giữ cặn gồm sàng lọc cơ học, lắng quán tính, dính bám và hấp phụ.
- Phương pháp hóa lý:
- Clo hóa sơ bộ: Oxy hóa sắt, mangan hữu cơ, khử màu, ngăn chặn rêu tảo và phá hủy màng nhầy trên mặt bể lọc.
- Keo tụ - tạo bông: Phá vỡ tính bền của hệ keo bằng cách trung hòa điện tích bề mặt hạt; sử dụng phèn nhôm $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$, phèn sắt kết hợp chất trợ keo tụ thiên nhiên (tinh bột, dextrin, silic hoạt tính) hoặc tổng hợp ($\text{polyacrylamit}$).
- Khử trùng nước: Sử dụng clo và hợp chất của clo, ozone, tia cực tím ($\text{UV}$), nhiệt, siêu âm, ion bạc.
- Các phương pháp khác: Làm mềm nước bằng phương pháp hóa học (sử dụng vôi $\text{Ca(OH)}_2$, soda $\text{Na}_2\text{CO}_3$, trinatri photphat $\text{Na}_3\text{PO}_4$), phương pháp nhiệt (bốc hơi $\text{CO}_2$, kết tủa $\text{CaCO}_3$, $\text{Mg(OH)}_2$) và phương pháp trao đổi ion.
Chương III: Đề xuất công nghệ xử lý và tính toán công trình đơn vị
Chương III là nội dung trọng tâm của đồ án, thực hiện phân tích số liệu nước thô, tính toán cân bằng nước, so sánh phương án và thiết kế kỹ thuật chi tiết.
Đánh giá chất lượng nước thô
Số liệu quan trắc chất lượng nước nguồn được so sánh với giới hạn quy định tại QCVN 01:2009/BYT:
| STT |
Chỉ tiêu |
Đơn vị |
Giá trị nguồn |
QCVN 01:2009/BYT |
Đánh giá |
| 1 |
$\text{pH}$ |
— |
6,78 |
6,5 – 8,5 |
Đạt |
| 2 |
Chất rắn lơ lửng ($\text{SS}$) |
$\text{mg/L}$ |
67 |
— |
— |
| 3 |
Độ đục |
$\text{NTU}$ |
22,5 |
2 |
Cần xử lý |
| 4 |
Độ màu |
$\text{mg/L}$ |
86 |
15 |
Cần xử lý |
| 5 |
Amoni |
$\text{mg/L}$ |
0,6 |
3 |
Đạt |
| 6 |
Mangan ($\text{Mn}^{2+}$) |
$\text{mg/L}$ |
0,3 |
0,3 |
Đạt |
| 7 |
Sắt ($\text{Fe}^{2+}$) |
$\text{mg/L}$ |
0,2 |
0,5 |
Đạt |
| 8 |
Độ kiềm |
$\text{mg CaCO}_3/\text{L}$ |
70 |
— |
— |
| 9 |
Độ cứng |
$\text{mg CaCO}_3/\text{L}$ |
86 |
300 |
Đạt |
| 10 |
Canxi ($\text{Ca}^{2+}$) |
$\text{mg/L}$ |
28 |
— |
— |
| 11 |
Magie ($\text{Mg}^{2+}$) |
$\text{mg/L}$ |
2,5 |
— |
— |
| 12 |
Tổng chất rắn hòa tan ($\text{TDS}$) |
$\text{mg/L}$ |
362 |
1000 |
Đạt |
| 13 |
Coliform tổng số |
$\text{Vi khuẩn}/100,\text{ml}$ |
5 |
0 |
Cần xử lý |
| 14 |
Nhiệt độ |
$^\circ\text{C}$ |
20 – 25 |
— |
— |
Kết luận phân tích: Nguồn nước có độ đục ($22{,}5,\text{NTU}$), độ màu ($86,\text{mg/L}$) và chỉ số Coliform tổng số ($5,\text{vi khuẩn}/100,\text{ml}$) vượt ngưỡng cho phép, bắt buộc phải qua dây chuyền keo tụ, tạo bông, lắng, lọc và khử trùng.
Cân bằng lưu lượng nước cấp khu đô thị
- Dân số thiết kế: $N = 35.000,\text{người}$ (đô thị loại II).
- Lưu lượng nước cấp sinh hoạt ($Q_{\text{sh}}$): $5.200,\text{m}^3/\text{ngày}$.
- Nước công cộng ($Q_{\text{cc}} = 10% Q_{\text{sh}}$): $520,\text{m}^3/\text{ngày}$.
- Nước công nghiệp dịch vụ ($Q_{\text{cndv}} = 10% Q_{\text{sh}}$): $520,\text{m}^3/\text{ngày}$.
- Nước khu công nghiệp ($Q_{\text{kcn}}$): $0,\text{m}^3/\text{ngày}$.
- Thất thoát rò rỉ ($Q_{\text{tt}} = 15%$): $936,\text{m}^3/\text{ngày}$.
- Nước dùng cho bản thân nhà máy xử lý ($Q_{\text{nm}} = 8%$): $574,\text{m}^3/\text{ngày}$.
- Lượng nước dự phòng ($Q_{\text{dp}} = 10% Q_{\text{sh}}$): $520,\text{m}^3/\text{ngày}$.
- Tổng lưu lượng ngày trung bình:
$$Q_{\text{ngày tb}} = 5200 + 520 + 520 + 0 + 936 + 574 + 520 = 8.300,\text{m}^3/\text{ngày}$$
- Lưu lượng tính toán ngày lớn nhất:
$$Q_{\text{ngày max}} = 9.960,\text{m}^3/\text{ngày} = 415,\text{m}^3/\text{h} = 0{,}1152,\text{m}^3/\text{s}$$
Đề xuất và so sánh lựa chọn phương án công nghệ
- Phương án 1: Nước nguồn $\rightarrow$ Song chắn rác $\rightarrow$ Trạm bơm cấp 1 $\rightarrow$ Bể trộn cơ khí (châm phèn nhôm $+$ vôi $\text{Ca(OH)}_2$) $\rightarrow$ Bể phản ứng tạo bông $\rightarrow$ Bể lắng ngang (xả bùn về bể chứa bùn) $\rightarrow$ Bể lọc nhanh $\rightarrow$ Khử trùng $\rightarrow$ Bể chứa nước sạch $\rightarrow$ Trạm bơm cấp 2 $\rightarrow$ Mạng lưới.
- Phương án 2: Nước nguồn $\rightarrow$ Song chắn rác $\rightarrow$ Trạm bơm cấp 1 $\rightarrow$ Bể trộn cơ khí $\rightarrow$ Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng $\rightarrow$ Bể lọc nhanh $\rightarrow$ Khử trùng $\rightarrow$ Bể chứa nước sạch $\rightarrow$ Trạm bơm cấp 2 $\rightarrow$ Mạng lưới.
Đánh giá lựa chọn: Mặc dù phương án 2 tiết kiệm diện tích xây dựng (không cần xây bể phản ứng riêng), nhưng theo tiêu chuẩn TCXD 33:2006, bể lắng trong chỉ nên áp dụng cho công suất nhỏ ($\le 3.000,\text{m}^3/\text{ngày}$), đòi hỏi quản lý khắt khe về dao động lưu lượng ($\le \pm 15%/\text{h}$) và nhiệt độ ($\le \pm 1^\circ\text{C}/\text{h}$). Do công suất trạm đạt $9.960,\text{m}^3/\text{ngày}$, Phương án 1 được lựa chọn vì tính ổn định cao, dễ vận hành và thích hợp với công suất lớn.
Chương IV: Kết luận và kiến nghị
- Khẳng định tính chính xác và khả thi của phương án công nghệ xử lý nước mặt bằng cụm bể trộn cơ khí, bể phản ứng tạo bông có cánh khuấy, bể lắng ngang và bể lọc nhanh.
- Kiến nghị tuân thủ nghiêm ngặt quy trình châm hóa chất keo tụ (phèn nhôm, vôi kiềm hóa), định kỳ xả cặn thủy lực ở bể lắng và rửa lọc ngược định kỳ ở bể lọc nhanh nhằm duy trì chất lượng nước đạt chuẩn QCVN 01:2009/BYT.
Thiết kế kỹ thuật và tính toán công trình
1. Bể trộn cơ khí
- Nguyên lý: Sử dụng năng lượng khuấy của cánh tuabin để tạo dòng chảy rối, phân tán đều hóa chất keo tụ và kiềm hóa vào khối nước.
- Kích thước và thông số thủy lực:
- Thời gian lưu nước: $t = 60,\text{s}$ (thời gian keo tụ tính toán $40,\text{s}$).
- Thể tích tính toán: $V = 4{,}61,\text{m}^3$; thể tích thực tế: $V_{\text{thực}} = 4{,}95,\text{m}^3$.
- Kích thước mặt bằng: Dạng hình vuông, chiều rộng $B = 1{,}5,\text{m}$, chiều dài $L = 1{,}5,\text{m}$.
- Chiều cao công tác: $H = 2{,}2,\text{m}$; chiều cao bảo vệ: $h_{\text{bv}} = 0{,}3,\text{m}$; tổng chiều cao xây dựng: $H_{\text{tổng}} = 2{,}5,\text{m}$.
- Kết cấu: Bê tông cốt thép, chiều dày thành bể $a = 200,\text{mm}$.
- Thiết bị khuấy trộn và chế độ thủy lực:
- Gradient vận tốc: $G = 790,\text{s}^{-1}$ (ứng với $t = 40,\text{s}$).
- Công suất thực tế của máy khuấy ($\eta = 80%$): $P_{\text{tt}} = 3{,}9,\text{kW}$.
- Máy khuấy: Dạng tuabin 4 cánh nghiêng $45^\circ$ hướng xuống; hệ số $K = 1{,}08$.
- Đường kính cánh khuấy: $D = 0{,}75,\text{m}$; chiều rộng bản cánh $150,\text{mm}$; chiều dài bản cánh $187{,}5,\text{mm}$; chiều cao bản cánh $30,\text{mm}$.
- Tấm chắn ngăn xoáy: 4 tấm xung quanh thành trong bể, chiều cao $2{,}5,\text{m}$, chiều rộng $0{,}15,\text{m}$.
- Tốc độ quay: $n = 2{,}22,\text{vòng/s}$.
- Chuẩn số Reynolds: $\text{Re} = 1.420.800 > 10.000$ (dòng chảy đạt trạng thái chảy rối hoàn toàn).
2. Bể phản ứng - tạo bông cơ khí
- Nguyên lý: Cung cấp năng lượng xáo trộn nhẹ để các hạt keo sau khi bị trung hòa điện tích tiếp xúc, va chạm và liên kết thành các bông cặn lớn có khả năng lắng.
- Kích thước và thông số thủy lực:
- Thời gian lưu nước: $t = 20,\text{phút}$.
- Dung tích công tác toàn bể: $W = 498,\text{m}^3$.
- Cấu tạo phân chia: Gồm 2 ngăn phản ứng song song, mỗi ngăn chia thành 3 buồng nối tiếp nhau qua các vách ngăn hướng dòng thẳng đứng (tổng cộng 6 buồng).
- Kích thước mỗi buồng: Chiều rộng $B = 4{,}0,\text{m}$, chiều cao $H = 4{,}0,\text{m}$, chiều dài $l = 5{,}4,\text{m}$.
- Dung tích mỗi buồng: $V_{\text{buồng}} = 4 \times 4 \times 5{,}4 = 86{,}4,\text{m}^3$.
- Chiều dài toàn bộ bể: $L = 16{,}2,\text{m}$.
- Kết cấu: Bê tông cốt thép, thành dày $200,\text{mm}$.
- Thiết bị khuấy tạo bông:
- Guồng khuấy trục đứng 4 bản cánh đối xứng.
- Tổng diện tích cánh khuấy: $f_c = 2{,}4,\text{m}^2$ (bằng $15%$ diện tích mặt cắt ngang buồng $F = 16,\text{m}^2$).
- Chiều dài mỗi bản cánh $3{,}5,\text{m}$, chiều rộng mỗi bản cánh $0{,}17,\text{m}$.
- Đường ống tự chảy sang bể lắng:
- Đường kính ống: $D = 0{,}7,\text{m}$ ($700,\text{mm}$).
- Vận tốc dòng chảy trong ống: $v = 0{,}29,\text{m/s}$ (nằm trong phạm vi quy phạm $0{,}15 - 0{,}3,\text{m/s}$).
3. Bể lắng ngang
- Nguyên lý: Tách các bông cặn đã hình thành ra khỏi dòng nước dưới tác dụng của trọng lực khi dòng nước chảy theo phương ngang qua bể; thu nước trong bề mặt và xả bùn định kỳ bằng áp lực thủy lực.
- Kích thước và thông số thủy lực:
- Vận tốc dòng nước trung bình trong bể: $V_{\text{tb}} = 9,\text{mm/s}$.
- Tốc độ lắng của hạt cặn: $U_0 = 0{,}45,\text{mm/s}$.
- Hệ số sử dụng thể tích: $\alpha = 1{,}3$.
- Chiều cao vùng lắng: $H_{\text{tb}} = 3{,}0,\text{m}$.
- Số lượng đơn nguyên: 1 bể hoạt động chính $+ 1$ bể dự phòng.
- Chiều rộng bể: $B = 4{,}5,\text{m}$.
- Chiều dài công tác: $L = 78{,}0,\text{m}$.
- Kiểm tra chuẩn số Reynolds dòng chảy trong vùng lắng:
$$\text{Re} = \frac{Q}{\nu \times (B + 2H)} = \frac{0{,}12}{1{,}003 \times 10^{-6} \times (4{,}5 + 2 \times 3)} = 11.394 < 20.000$$
(Dòng chảy đảm bảo tính ổn định thủy lực trong vùng chuyển tiếp, không phát sinh dòng xoáy gây xáo trộn cặn).
4. Bảng tổng hợp thông số thiết kế các công trình đơn vị chính
| Công trình đơn vị |
Số lượng |
Kích thước hình học ($B \times L \times H$) |
Thể tích / Công suất |
Thông số vận hành chính |
| Bể trộn cơ khí |
01 bể |
$1{,}5,\text{m} \times 1{,}5,\text{m} \times 2{,}5,\text{m}$ |
$V = 4{,}95,\text{m}^3$ |
$t = 60,\text{s}$, $G = 790,\text{s}^{-1}$, máy khuấy tuabin $3{,}9,\text{kW}$, $n = 2{,}22,\text{v/s}$ |
| Bể phản ứng tạo bông |
02 ngăn (6 buồng) |
Mỗi buồng: $4{,}0,\text{m} \times 5{,}4,\text{m} \times 4{,}0,\text{m}$ ($L_{\text{bể}} = 16{,}2,\text{m}$) |
$W = 498,\text{m}^3$ |
$t = 20,\text{phút}$, guồng khuấy trục đứng 4 cánh ($f_c = 2{,}4,\text{m}^2$), ống dẫn $D = 700,\text{mm}$ |
| Bể lắng ngang |
01 hoạt động $+ 01$ dự phòng |
$4{,}5,\text{m} \times 78{,}0,\text{m} \times 3{,}0,\text{m}$ |
$Q = 415,\text{m}^3/\text{h}$/bể |
$V_{\text{tb}} = 9,\text{mm/s}$, $U_0 = 0{,}45,\text{mm/s}$, $\text{Re} = 11.394$ |
| Bể lọc nhanh |
Theo quy phạm |
Lớp cát thạch anh kết hợp sỏi đỡ |
$Q_{\text{ngày max}} = 9.960,\text{m}^3/\text{ngày}$ |
Tốc độ lọc $2 - 15,\text{m/h}$, rửa lọc bằng hệ thống phân phối nước khoan lỗ |
| Bể chứa nước sạch |
Hệ thống trữ nước |
Kết cấu bê tông cốt thép |
Điều hòa lưu lượng |
Tiếp nhận nước đã khử trùng bằng hợp chất Clo |
Kết quả và đóng góp
- Kết quả kỹ thuật:
- Thiết lập thành công bảng cân bằng lưu lượng chi tiết cho khu đô thị 35.000 dân, xác định công suất trạm xử lý đạt lưu lượng ngày lớn nhất $Q_{\text{ngày max}} = 9.960,\text{m}^3/\text{ngày}$ ($415,\text{m}^3/\text{h}$).
- Đưa ra giải pháp xử lý triệt để 3 chỉ tiêu ô nhiễm vượt ngưỡng của nước nguồn: Giảm độ đục từ $22{,}5,\text{NTU}$ xuống $\le 2,\text{NTU}$, giảm độ màu từ $86,\text{mg/L}$ xuống $\le 15,\text{mg/L}$, tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn Coliform tổng số từ $5,\text{vi khuẩn}/100,\text{ml}$ về $0,\text{vi khuẩn}/100,\text{ml}$ theo QCVN 01:2009/BYT.
- Hoàn thiện toàn bộ các bước tính toán kích thước, công suất cơ khí và kiểm tra thủy lực cho cụm công trình xử lý chính gồm bể trộn cơ khí ($V = 4{,}95,\text{m}^3$, $P = 3{,}9,\text{kW}$), bể phản ứng tạo bông ($W = 498,\text{m}^3$, 6 buồng), bể lắng ngang ($4{,}5 \times 78 \times 3,\text{m}$) và bể lọc nhanh.
- Đóng góp về giải pháp:
- Cung cấp cơ sở khoa học và luận cứ kỹ thuật thuyết phục trong việc lựa chọn bể lắng ngang thay cho bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng đối với các trạm cấp nước công suất xấp xỉ $10.000,\text{m}^3/\text{ngày}$, phù hợp với quy định của TCXD 33:2006 và điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.
- Thiết lập hệ thống thông số thiết kế chi tiết, có tính dự phòng cao (bố trí đơn vị bể lắng dự phòng) giúp hệ thống vận hành liên tục và ổn định.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Chuỗi số liệu chất lượng nước nguồn đầu vào chỉ là số liệu mẫu tại một thời điểm cố định, chưa phản ánh đầy đủ sự biến động theo mùa khô và mùa mưa của nguồn nước mặt.
- Đồ án tập trung vào tính toán dây chuyền xử lý nước chính, phần tính toán xử lý bùn cặn từ bể lắng và nước rửa lọc mới dừng lại ở việc thu gom về bể chứa bùn mà chưa đi sâu vào thiết kế chi tiết các công trình ép bùn cơ học hay sân phơi bùn.
- Hướng mở rộng:
- Khảo sát và bổ sung chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước thô theo các mùa trong năm để xác định dải liều lượng phèn tối ưu linh hoạt.
- Tính toán thiết kế chi tiết hệ thống xử lý bùn thải phát sinh từ trạm xử lý (bể nén bùn, máy ép bùn băng tải/khung bản) nhằm đáp ứng đầy đủ các quy định về bảo vệ môi trường.
- Nghiên cứu ứng dụng biến tần tự động điều khiển tốc độ cánh khuấy bể trộn và bể phản ứng theo sự thay đổi lưu lượng và độ đục thực tế của nguồn nước.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo:
- Sinh viên, học viên ngành Cấp thoát nước, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Tài nguyên Nước sử dụng làm tài liệu tham khảo cho đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các học phần liên quan đến thiết kế công trình xử lý nước cấp.
- Kỹ sư thiết kế công nghệ và cán bộ kỹ thuật tại các công ty cấp nước, trạm cấp nước sinh hoạt cho khu dân cư, khu đô thị quy mô vừa và nhỏ.
- Nội dung có giá trị tham khảo nổi bật:
- Phương pháp luận và công thức tính toán cân bằng lưu lượng các thành phần dùng nước cho đô thị loại II.
- Trình tự tính toán thủy lực, lựa chọn thiết bị cơ khí cánh khuấy và kiểm tra các chỉ số thủy lực ($\text{Re}$, $G$, $U_0$) cho bể trộn và bể lắng ngang.
- Phương pháp phân tích kỹ thuật - kinh tế để lựa chọn dây chuyền công nghệ phù hợp với quy mô công suất theo tiêu chuẩn TCXD 33:2006.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án không lựa chọn bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng (Phương án 2) cho trạm xử lý này?
Theo tiêu chuẩn TCXD 33:2006, bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng chỉ nên áp dụng cho trạm xử lý có công suất đến $3.000,\text{m}^3/\text{ngày}$. Công trình này có kết cấu phức tạp, đòi hỏi chế độ quản lý nghiêm ngặt, rất nhạy cảm với dao động lưu lượng ($> \pm 15%/\text{h}$) và dao động nhiệt độ ($> \pm 1^\circ\text{C}/\text{h}$). Với công suất trạm tính toán lên đến $9.960,\text{m}^3/\text{ngày}$, việc lựa chọn bể phản ứng kết hợp bể lắng ngang (Phương án 1) đảm bảo độ ổn định, dễ vận hành và thích ứng tốt hơn.
2. Nguồn nước mặt đầu vào có những chỉ tiêu nào vượt ngưỡng theo QCVN 01:2009/BYT?
Qua phân tích bảng 17 chỉ tiêu chất lượng nước nguồn, có 3 chỉ tiêu không đạt tiêu chuẩn:
- Độ đục: $22{,}5,\text{NTU}$ (quy chuẩn yêu cầu $\le 2,\text{NTU}$).
- Độ màu: $86,\text{mg/L}$ (quy chuẩn yêu cầu $\le 15,\text{mg/L}$).
- Coliform tổng số: $5,\text{vi khuẩn}/100,\text{ml}$ (quy chuẩn yêu cầu bằng $0$).
Các chỉ tiêu khác như $\text{pH}$ ($6{,}78$), Amoni ($0{,}6,\text{mg/L}$), Sắt ($0{,}2,\text{mg/L}$), Mangan ($0{,}3,\text{mg/L}$), Độ cứng ($86,\text{mg CaCO}_3/\text{L}$) và $\text{TDS}$ ($362,\text{mg/L}$) đều đạt ngưỡng cho phép.
3. Lưu lượng nước cấp của trạm được xác định như thế nào cho khu đô thị 35.000 dân?
Dựa trên định mức cấp nước đô thị loại II, lưu lượng sinh hoạt tính toán là $Q_{\text{sh}} = 5.200,\text{m}^3/\text{ngày}$. Cộng thêm các thành phần phục vụ công cộng ($10%$), công nghiệp dịch vụ ($10%$), thất thoát rò rỉ ($15%$), nước tự dùng trạm xử lý ($8%$) và dự phòng ($10%$), tổng lưu lượng ngày trung bình là $Q_{\text{ngày tb}} = 8.300,\text{m}^3/\text{ngày}$. Lưu lượng ngày dùng nước nhiều nhất được xác định là $Q_{\text{ngày max}} = 9.960,\text{m}^3/\text{ngày}$ (tương đương $415,\text{m}^3/\text{h}$ hay $0{,}1152,\text{m}^3/\text{s}$).
4. Bể trộn cơ khí được thiết kế với các thông số kích thước và thủy lực cụ thể nào?
Bể trộn có tiết diện hình vuông $1{,}5,\text{m} \times 1{,}5,\text{m}$, chiều cao xây dựng $2{,}5,\text{m}$ ($H_{\text{công tác}} = 2{,}2,\text{m}$, $h_{\text{bv}} = 0{,}3,\text{m}$), thể tích thực tế $4{,}95,\text{m}^3$. Thời gian lưu nước $60,\text{s}$, gradient vận tốc $G = 790,\text{s}^{-1}$. Bể trang bị máy khuấy tuabin 4 cánh nghiêng $45^\circ$, đường kính cánh $0{,}75,\text{m}$, công suất $3{,}9,\text{kW}$, tốc độ quay $2{,}22,\text{vòng/s}$, đạt số Reynolds $\text{Re} = 1.420.800 > 10.000$ (chảy rối hoàn toàn).
5. Bể phản ứng tạo bông có quy mô cấu tạo và thời gian phản ứng là bao nhiêu?
Bể phản ứng tạo bông cơ khí có dung tích $W = 498,\text{m}^3$, thời gian lưu nước $t = 20,\text{phút}$. Bể gồm 2 ngăn làm việc song song, mỗi ngăn chia thành 3 buồng ngăn cách bằng vách ngăn thẳng đứng (tổng 6 buồng). Mỗi buồng có kích thước rộng $4{,}0,\text{m}$, cao $4{,}0,\text{m}$, dài $5{,}4,\text{m}$ (dung tích mỗi buồng $86{,}4,\text{m}^3$), chiều dài toàn bể $16{,}2,\text{m}$. Mỗi buồng lắp đặt guồng khuấy trục đứng 4 cánh với tổng diện tích bản cánh $f_c = 2{,}4,\text{m}^2$.
Kết luận
Đồ án môn học đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt cho khu đô thị quy mô 35.000 dân với công suất $9.960,\text{m}^3/\text{ngày}$. Dây chuyền công nghệ được lựa chọn gồm keo tụ phèn nhôm kết hợp kiềm hóa vôi, bể trộn cơ khí tuabin, bể phản ứng tạo bông có tầng cánh khuấy, bể lắng ngang xả cặn thủy lực, bể lọc nhanh trọng lực và khử trùng bằng hợp chất Clo. Toàn bộ các công trình đơn vị được tính toán kích thước hình học, công suất thiết bị và kiểm tra chuẩn số thủy lực chính xác, đảm bảo nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2009/BYT. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật tin cậy cho công tác đào tạo và thực hành thiết kế chuyên ngành Cấp thoát nước.
