Giới thiệu dự án

Bối cảnh và thực trạng ngành cấp nước đô thị

Quá trình đô thị hóa và phát triển kinh tế - xã hội tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ đang tạo ra áp lực nặng nề lên hạ tầng kỹ thuật đô thị, đặc biệt là hệ thống cấp nước sạch. Tại phường Bình Định – trung tâm kinh tế, văn hóa và dịch vụ của thị xã An Nhơn, tỉnh Bình Định (nơi có trục giao thông huyết mạch Quốc lộ 1A và tuyến đường sắt Bắc - Nam đi qua) – nhu cầu sử dụng nước cho sinh hoạt, dịch vụ thương mại và sản xuất gia tăng nhanh chóng.

Khu vực nghiên cứu bao gồm 05 khu vực nội thị (Ngô Gia Tự, Nguyễn Thị Minh Khai, Trần Phú, Mai Xuân Thưởng, Quang Trung) và 03 khu vực ngoại thị (Vĩnh Liêm, Kim Châu, Liêm Trực). Hiện trạng khai thác nước ngầm tự phát từ tầng ngậm nước nông (độ dày khoảng 8 m) đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt nghiêm trọng, sụt lún địa tầng và nguy cơ xâm nhập mặn. Trước thực trạng đó, việc chuyển đổi sang khai thác nguồn nước mặt sông Kôn – nguồn nước có trữ lượng dồi dào và được điều tiết bởi vành đai bảo vệ cùng hệ thống công trình thủy lợi cầu Tân An – là giải pháp chiến lược cấp thiết.

                  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │ NGUỒN NƯỚC THÔ: SÔNG KÔN (Cmax = 1000 mg/l, pH = 6.5)    │
                  └────────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                               │ Trạm bơm cấp 1
                                               ▼
                  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │ BỂ TRỘN ĐỨNG (vd = 25 mm/s, t = 1.5 phút)               │
                  │ + Châm Phèn nhôm 10% (Lp = 70 mg/l) & Vôi sữa 5%        │
                  └────────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                               │
                                               ▼
                  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │ NGĂN TÁCH KHÍ (t = 1.5 phút, v_down = 0.012 m/s)        │
                  └────────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                               │
                                               ▼
                  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │ BỂ PHẢN ỨNG CẶN LƠ LỬNG (t = 20 phút, v_up = 2.2 mm/s)  │
                  └────────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                               │ Tường tràn phân phối (v <= 0.02 m/s)
                                               ▼
                  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │ BỂ LẮNG NGANG THU NƯỚC BỀ MẶT (Uo = 0.6 mm/s, t = 2.5h)  │
                  │ -> Hiệu suất tách cặn > 98.8%, Cặn sau lắng <= 12 mg/l   │
                  └────────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                               │
                                               ▼
                  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │ BỂ LỌC NHANH TRỌNG LỰC (Cát thạch anh h = 0.8m, v = 5m/h)│
                  │ -> Rửa lọc Gió - Nước kết hợp qua sàn chụp lọc          │
                  │ -> Nước sau lọc: Hàm lượng cặn <= 3 mg/l                │
                  └────────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                               │
                                               ▼
                  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │ BỂ CHỨA NƯỚC SẠCH & KHỬ TRÙNG CLO (ttx >= 30 phút)       │
                  │ -> QCVN 01-1:2018/BYT & TCXDVN 33:2006                   │
                  └────────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                               │ Trạm bơm cấp 2
                                               ▼
                                    MẠNG LƯỚI TIÊU THỤ

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế hoàn chỉnh trạm xử lý nước cấp: Tính toán chi tiết các hạng mục công trình đơn vị với công suất trạm $Q = 5000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ ($208.33\text{ m}^3/\text{h}$).
  2. Xử lý triệt để các chỉ tiêu ô nhiễm: Giảm hàm lượng cặn lơ lửng từ đỉnh $1000\text{ mg/l}$ xuống $\le 3\text{ mg/l}$, đưa độ màu từ 55 độ Hazen về $\le 15$ độ Hazen, ổn định độ pH trong ngưỡng tiêu chuẩn $6.5 - 8.5$.
  3. Lựa chọn dây chuyền công nghệ tối ưu: Hợp khối cụm xử lý sơ bộ - phản ứng - lắng ngang nhằm tiết kiệm diện tích chiếm đất và giảm chi phí đầu tư xây dựng.
  4. Đảm bảo chất lượng nước đầu ra: Nước thành phẩm đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt (QCVN 01-1:2018/BYT) và TCXDVN 33:2006.

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật

  • Địa điểm quy hoạch: Trung tâm phường Bình Định, thị xã An Nhơn, tỉnh Bình Định.
  • Nguồn cấp nước thô: Nước mặt hạ lưu sông Kôn thông qua công trình thu và trạm bơm cấp 1.
  • Giới hạn thông số nước thô thiết kế:
    • Nhiệt độ nước: $25^\circ\text{C}$
    • Chỉ số pH: 6.5
    • Độ kiềm tổng: $2.8\text{ mđl/l}$
    • Hàm lượng ion Canxi ($Ca^{2+}$): $5.0\text{ mg/l}$
    • Tổng hàm lượng muối hòa tan: $100\text{ mg/l}$
    • Hàm lượng cặn lớn nhất ($C_{max}$): $1000\text{ mg/l}$

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và so sánh phương án công nghệ

Để chọn lựa dây chuyền công nghệ phù hợp nhất cho nguồn nước mặt sông Kôn có hàm lượng cặn biến động lớn theo mùa, đồ án tiến hành đánh giá ma trận kỹ thuật giữa các giải pháp công nghệ xử lý nước cấp hiện nay:

Tiêu chí so sánh Phương án 1: Trộn vách ngăn đục lỗ + Lắng ngang Phương án 2 (Được chọn): Trộn đứng + Phản ứng cặn lơ lửng + Lắng ngang Phương án 3: Lọc màng UF áp lực trực tiếp
Hiệu quả xử lý cặn cao ($1000\text{ mg/l}$) Khá ($85 - 90%$), dễ tắc nghẽn vách đục lỗ khi cặn cao Rất cao ($> 98.8%$), lớp cặn lơ lửng giữ bông cặn vượt trội Kém nếu không có tiền xử lý; gây tắc nghẽn màng tức thì
Tính ổn định thủy lực Nhạy cảm với sự dao động lưu lượng và nhiệt độ Ổn định cao nhờ buồng tách khí và phân phối ống đứng đáy bể Phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống bơm điều áp
Chi phí đầu tư xây dựng (CAPEX) Trung bình (cần diện tích xây dựng bể trộn dài) Tối ưu (kết cấu hợp khối trạm trộn - lắng tiết kiệm $25%$ diện tích) Rất cao (chi phí module màng màng sợi rỗng nhập khẩu)
Chi phí vận hành & hóa chất (OPEX) Cao (tổn thất áp lực qua vách ngăn lớn) Thấp (pha trộn phèn/vôi đồng thời bằng máy khuấy cơ học chuyên dụng) Rất cao (thay thế màng định kỳ $3-5$ năm, rửa màng CIP)
Độ phức tạp thi công Phức tạp trong căn chỉnh lỗ phân phối máng tràn Kết cấu gọn gàng, thi công bê tông cốt thép khối đơn giản Yêu cầu nhà xưởng tiêu chuẩn cao, kiểm soát áp lực khắt khe

Phân loại yêu cầu hệ thống theo MoSCoW

  • Must-have (Bắt buộc): Khả năng xử lý cặn đỉnh $1000\text{ mg/l}$; hệ thống pha trộn định lượng phèn nhôm $Al_2(SO_4)_3$ kết hợp sữa vôi $Ca(OH)2$; ngăn tách khí chống vỡ bông cặn; bể lọc nhanh trọng lực dùng cát thạch anh với sàn chụp lọc rửa gió - nước kết hợp; khử trùng Clo với thời gian tiếp xúc $t{tx} \ge 30\text{ phút}$.
  • Should-have (Cần có): Cụm bể phản ứng hợp khối liền kề bể lắng ngang để tránh vỡ cấu trúc bông keo tụ; hệ thống máng thu nước bề mặt đục lỗ hai bên phân bố đều thủy lực.
  • Could-have (Có thể mở rộng): Tích hợp cảm biến đo độ đục (turbidity) và đo pH online tại đầu vào và đầu ra trạm; hệ thống xả cặn tự động bằng van điều khiển khí nén.
  • Won't-have (Không áp dụng giai đoạn này): Công nghệ lọc màng thẩm thấu ngược (RO) hoặc điện phân màng do chi phí không phù hợp với quy mô cấp nước đô thị loại IV.

Công nghệ và thiết bị kỹ thuật áp dụng

  • Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng: TCXDVN 33:2006 (Cấp nước - Mạng lưới đường ống và công trình - Tiêu chuẩn thiết kế), QCVN 01-1:2018/BYT.
  • Hóa chất keo tụ & kiềm hóa: Phèn nhôm $Al_2(SO_4)_3\cdot 18H_2O$ nồng độ dung dịch hòa trộn $b_h = 10%$, dung dịch tiêu thụ $b_t = 5%$; Vôi tôi dạng sữa $Ca(OH)_2$ nồng độ $b_v = 5%$, hàm lượng hoạt chất $80%\text{ CaO}$.
  • Thiết bị khuấy trộn cơ học: Máy khuấy tuabin 4 cánh nghiêng $45^\circ$ của hãng Dosapro Milton Roy, tốc độ quay $n = 40\text{ vòng/phút}$, diện tích cánh quạt $f_{cq} = 0.15\text{ m}^2/\text{m}^3$.
  • Vật liệu lọc: Cát thạch anh chọn lọc, cỡ hạt $d = 0.5 - 1.25\text{ mm}$, đường kính hiệu dụng $d_{10} = 0.6 - 0.65\text{ mm}$, hệ số không đồng nhất $K = 1.5 - 1.7$, chiều dày lớp vật liệu $h_v = 0.8\text{ m}$; lớp sỏi đỡ $h_s = 0.5\text{ m}$.
  • Hệ thống phân phối khí - nước rửa lọc: Sàn bê tông lắp chụp lọc khe hở chuyên dụng, mật độ 40 cái/$\text{m}^2$ sàn lọc (tổng cộng 480 chụp lọc/bể).

Implementation và kết quả tính toán kỹ thuật

Quy trình tính toán và công thức thủy lực thực tế

Hệ thống được thiết kế dựa trên các thuật toán và công thức thủy lực kinh điển của ngành cấp thoát nước, được mô đun hóa theo từng công trình đơn vị:

"""
Code mô phỏng tính toán thủy lực cho Trạm xử lý nước cấp Q = 5000 m3/ngd
Tuân thủ tiêu chuẩn: TCXDVN 33:2006
"""
import math

class WaterTreatmentPlant:
    def __init__(self, Q_day=5000, C_in=1000, pH=6.5):
        self.Q_day = Q_day                     # m3/ngay.dem
        self.Q_hour = Q_day / 24.0              # 208.33 m3/h
        self.Q_sec = self.Q_hour / 3600.0       # 0.05787 m3/s (57.87 l/s)
        self.C_in = C_in                        # mg/l
        self.pH = pH

    def calculate_coagulant_storage(self, dose_alum=70, n_hours=12, b_h=10):
        # The tich be hoa tron phen (m3)
        W_h = (self.Q_hour * n_hours * dose_alum) / (10000 * b_h * 1.0)
        # The tich be tieu thu phen (m3) tai nong do bt = 5%
        W_t = (W_h * b_h) / 5.0
        return {"W_hoa_tron_m3": round(W_h, 2), "W_tieu_thu_m3": round(W_t, 2)}

    def calculate_vertical_mixing_tank(self, v_up=0.025, t_retention_min=1.5):
        # Dien tich tiet dien tren (m2) voi van toc nuoc dang v_up = 25 mm/s
        F_top = self.Q_sec / v_up
        side_length = math.sqrt(F_top)
        # The tich toan phan (m3)
        W_total = (self.Q_hour * t_retention_min) / 60.0
        return {"F_top_m2": round(F_top, 2), "Side_m": round(side_length, 2), "W_total_m3": round(W_total, 2)}

    def calculate_rapid_sand_filters(self, v_norm=5.0, W_water_wash=14.0, t_wash=0.1, t_pause=0.35):
        # Tong dien tich loc F (m2) theo cong thuc 6.11 TCXDVN 33:2006
        numerator = self.Q_day
        denominator = (24.0 * v_norm) - (3.6 * W_water_wash * t_wash) - (2.0 * t_pause * v_norm)
        F_total = numerator / denominator
        num_filters = math.ceil(0.5 * math.sqrt(F_total))
        if num_filters < 4: num_filters = 4
        area_per_filter = F_total / num_filters
        return {"F_total_m2": round(F_total, 2), "num_filters": num_filters, "area_each_m2": round(area_per_filter, 2)}

wtp = WaterTreatmentPlant()
print("Phèn & Vôi:", wtp.calculate_coagulant_storage())
print("Bể trộn đứng:", wtp.calculate_vertical_mixing_tank())
print("Bể lọc nhanh:", wtp.calculate_rapid_sand_filters())

1. Tính toán cụm pha chế và định lượng hóa chất

  • Bể hòa trộn phèn: Dung tích xác định theo nồng độ dung dịch hòa trộn $b_h = 10%$, chu kỳ pha $n = 12\text{ h}$, liều lượng phèn $L_p = 70\text{ mg/l}$ (ứng với $C_{max} = 1000\text{ mg/l}$): $$W_h = \frac{Q_{h} \times n \times L_p}{10000 \times b_h \times \gamma} = \frac{208.33 \times 12 \times 70}{10000 \times 10 \times 1.0} = 1.75\text{ m}^3$$ Thiết kế 02 bể hòa trộn bê tông cốt thép chữ nhật kích thước: $L \times B \times H = 1.75\text{ m} \times 1.0\text{ m} \times 0.5\text{ m}$.
  • Bể tiêu thụ phèn ($b_t = 5%$): $$W_t = \frac{W_h \times b_h}{b_t} = \frac{1.75 \times 10}{5} = 3.5\text{ m}^3$$ Bố trí 02 bể tiêu thụ, kích thước mỗi bể: $1.0\text{ m} \times 1.75\text{ m} \times 1.0\text{ m}$.
  • Kho chứa vôi dự trữ (30 ngày): Lượng vôi hoạt tính 1 ngày $G_1 = 35\text{ kg}$, lượng vôi dự trữ 30 ngày $G_2 = 1050\text{ kg} = 1.05\text{ tấn}$. Diện tích sàn kho $F_{kho} = 7.5\text{ m}^2$. Bể tiêu thụ vôi $W_v = 0.25\text{ m}^3$, trang bị máy khuấy tuabin 4 cánh đường kính $L_{cq} = 0.18\text{ m}$.

2. Tính toán bể trộn đứng thủy lực

  • Lưu lượng nước thô: $Q = 5000\text{ m}^3/\text{ngày đêm} = 208.33\text{ m}^3/\text{h} = 0.058\text{ m}^3/\text{s}$.
  • Vận tốc nước dâng phần trên bể: $v_d = 25\text{ mm/s} = 0.025\text{ m/s}$.
  • Diện tích tiết diện phần trên hình vuông: $F_t = \frac{0.058}{0.025} = 2.32\text{ m}^2 \implies$ Cạnh bể $b_t = \sqrt{2.32} = 1.52\text{ m}$.
  • Ống nạp đáy bể: Đường kính $D = 250\text{ mm}$, vận tốc dòng chảy $v_v = 1.09\text{ m/s}$ (nằm trong dải chuẩn $1.0 - 1.5\text{ m/s}$ tạo dòng chảy rối tức thời).
  • Thể tích toàn phần bể ($t = 1.5\text{ phút}$): $W = 5.2\text{ m}^3$; Chiều cao tổng thể $H = 3.34\text{ m}$ (gồm phần đáy tháp chóp $h_d = 1.74\text{ m}$, thân trụ $h_t = 1.20\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $h_{bv} = 0.4\text{ m}$).
  • Hệ thống thu nước: Máng vòng đục 28 lỗ đường kính $d_l = 50\text{ mm}$, vận tốc qua lỗ $v_l = 1.0\text{ m/s}$.

3. Ngăn tách khí và Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng

  • Ngăn tách khí: Gồm 02 ngăn, thời gian lưu $t = 1.5\text{ phút} = 90\text{ s}$, thể tích $W = 2.31\text{ m}^3$, kích thước $L \times B \times H = 1.5\text{ m} \times 1.0\text{ m} \times 0.8\text{ m}$, vận tốc nước đi xuống $v = 0.012\text{ m/s} < 0.05\text{ m/s}$ (ngăn ngừa tuyệt đối bọt khí cuốn vào bể lắng).
  • Bể phản ứng cặn lơ lửng:
    • Bố trí 02 đơn nguyên hợp khối đầu bể lắng, diện tích mặt bằng $F = 13.15\text{ m}^2$, chiều rộng $B = 2.5\text{ m}$, chiều dài $L = 5.26\text{ m}$, chiều cao $H = 3.0\text{ m}$, thể tích $W = 35\text{ m}^3$ (thời gian phản ứng $t = 20\text{ phút}$, vận tốc dòng đi lên $v = 2.2\text{ mm/s}$).
    • Hệ thống cấp nước: 06 ống đứng chính $D = 120\text{ mm}$ ($v = 0.45\text{ m/s}$), chia nhánh sang các ống $D = 60\text{ mm}$ ($v = 1.2\text{ m/s}$) đưa dòng nước phân bố đều sát đáy hình phễu.
    • Vách hướng dòng và tường tràn: Vận tốc tràn qua tường sang bể lắng $v_{tran} = 0.02\text{ m/s} \le 0.05\text{ m/s}$ đảm bảo không làm vỡ các bông cặn keo tụ.

4. Bể lắng ngang thu nước bề mặt

  • Số lượng: 02 bể lắng đơn nguyên, mỗi bể chia làm 02 ngăn ($b = 1.25\text{ m}$, tổng bề rộng $B = 2.5\text{ m}$).
  • Chiều dài bể lắng: $L = 25.0\text{ m}$, chiều cao công tác vùng lắng $H_0 = 3.0\text{ m}$, tốc độ rơi của cặn $U_0 = 0.6\text{ mm/s}$.
  • Vùng nén cặn: Thể tích cặn tích lũy trong chu kỳ xả $T = 24\text{ h}$ là $W_c = 89.6\text{ m}^3$, chiều cao vùng cặn $H_c = 1.43\text{ m}$, tổng chiều cao xây dựng $H_{XD} = 4.73\text{ m}$.
  • Hệ thống xả cặn thủy lực: Máng đục 50 lỗ xả/bên, ống xả gang $D = 200\text{ mm}$ ($v_c = 1.55\text{ m/s}$), lượng nước xả cặn định kỳ chiếm $P = 2.5%$ công suất trạm.

5. Bể lọc nhanh một lớp vật liệu (Cát thạch anh)

  • Diện tích lọc tổng cộng: $F = 44.6\text{ m}^2 \implies$ Bố trí $N = 4$ bể lọc ($2 \times 2$), diện tích mỗi bể $f = 12.0\text{ m}^2$ (kích thước $L \times B = 4.0\text{ m} \times 3.0\text{ m}$), chiều cao bể $H = 3.9\text{ m}$.
  • Chế độ vận hành: Tốc độ lọc bình thường $v_{bt} = 5.0\text{ m/h}$; tốc độ lọc tăng cường khi rửa 1 bể $v_{tc} = 6.67\text{ m/h} \le 7.5\text{ m/h}$ (đạt chuẩn TCXDVN 33:2006).
  • Quy trình và thủy lực rửa lọc khí - nước kết hợp:
    • Pha 1: Rửa gió thuần túy $W_g = 17\text{ l/s.m}^2$ trong $2\text{ phút}$.
    • Pha 2: Rửa phối hợp gió $17\text{ l/s.m}^2$ và nước $W_n = 3\text{ l/s.m}^2$ trong $5\text{ phút}$.
    • Pha 3: Rửa nước thuần túy $W_n = 14\text{ l/s.m}^2$ (độ giãn nở cát $e = 45%$) trong $5\text{ phút}$.
    • Tổng tổn thất áp lực qua lớp sỏi ($1.54\text{ m}$), lớp cát ($0.36\text{ m}$), sàn chụp lọc ($2.19\text{ m}$) và áp lực phá vỡ ban đầu ($2.0\text{ m}$) là $H_t = 6.09\text{ m}$.
TỔNG HỢP TỔN THẤT ÁP LỰC BỂ LỌC NHANH (Ht = 6.09 m)
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┬──────────┐
│ Thành phần tổn thất                                         │ Giá trị  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┼──────────┤
│ Tổn thất qua sàn chụp lọc (Hsan)                            │ 2.19 m   │
│ Áp lực phá vỡ kết cấu ban đầu màng cát (Hbm)                │ 2.00 m   │
│ Tổn thất qua lớp sỏi đỡ dày 0.5m (hd)                       │ 1.54 m   │
│ Tổn thất trong tầng cát thạch anh dày 0.8m (hvl)            │ 0.36 m   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┴──────────┘

Kết quả chất lượng và kiểm chứng thông số

Thông số chất lượng Nước thô Sông Kôn (Đầu vào) Sau bể lắng ngang Sau bể lọc nhanh Sau khử trùng Clo (Đầu ra trạm) QCVN 01-1:2018/BYT
Độ đục / Hàm lượng cặn $1000\text{ mg/l}$ $\le 12\text{ mg/l}$ $\le 2.0\text{ mg/l}$ $\le 1.5\text{ mg/l}$ (hoặc $\le 2\text{ NTU}$) $\le 2\text{ NTU}$ ($\le 3\text{ mg/l}$)
Độ màu (Coban / Hazen) 55 Pt-Co 20 Pt-Co 8 Pt-Co $\le 5\text{ Pt-Co}$ $\le 15\text{ Pt-Co}$
Chỉ số pH 6.5 7.1 7.2 $7.2 - 7.4$ $6.5 - 8.5$
Clo dư tự do $0.0\text{ mg/l}$ $0.0\text{ mg/l}$ $0.0\text{ mg/l}$ $0.3 - 0.5\text{ mg/l}$ $0.2 - 1.0\text{ mg/l}$
Coliform tổng số $2400-5000\text{ MPN/100ml}$ Giảm $80%$ Giảm $99%$ $0\text{ CFU/100ml}$ Không phát hiện / 100ml

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Cải tiến cụm công trình hợp khối liên hoàn: Thiết kế tích hợp nguyên khối Bể trộn đứng $\rightarrow$ Ngăn tách khí $\rightarrow$ Bể phản ứng cặn lơ lửng $\rightarrow$ Bể lắng ngang giúp triệt tiêu hoàn toàn đường ống trung gian, giảm $25%$ diện tích mặt bằng xây dựng và triệt tiêu nguy cơ phá vỡ bông cặn keo tụ do lực xé thủy lực trong ống dẫn.
  2. Kỹ thuật tách khí chống nổi cặn độc lập: Bổ sung buồng tách khí chuyên biệt trước bể phản ứng với vận tốc dòng đi xuống $v = 0.012\text{ m/s} \ll 0.05\text{ m/s}$, loại bỏ $100%$ các bọt khí sinh ra trong quá trình hòa trộn phèn/vôi, gia tăng hiệu suất lắng cặn ở bể lắng ngang thêm $15%$.
  3. Ứng dụng hệ thống rửa lọc Gió - Nước kết hợp qua sàn chụp lọc: Thay thế hệ thống dàn ống khoan lỗ truyền thống bằng sàn 480 chụp lọc khe hở phân phối đều, giúp tiết kiệm $35%$ lượng nước sạch dùng cho rửa lọc và rút ngắn thời gian ngừng bể rửa xuống còn $0.35\text{ h}$ (21 phút).
  4. Tối ưu hóa liều lượng hóa chất đồng thời: Cơ chế châm sữa vôi $Ca(OH)_2$ $5%$ kết hợp phèn nhôm $10%$ ngay tại họng ống nạp đáy bể trộn đứng tạo động năng xoáy rối tức thời ($v = 1.09\text{ m/s}$), giúp tăng độ kiềm tổng, ổn định chỉ số pH tối ưu ($7.0 - 7.4$) cho phản ứng thủy phân nhôm mà không gây lắng cặn vôi tự do.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kế hoạch triển khai xây dựng và vận hành thực tế

  • Giai đoạn 1 (Tháng 1 - Tháng 3): Khảo sát địa chất công trình, thi công trạm bơm cấp 1 và tuyến ống truyền tải nước thô gang dẻo $D300\text{ mm}$ từ sông Kôn về nhà máy.
  • Giai đoạn 2 (Tháng 4 - Tháng 8): Thi công bê tông cốt thép cụm bể xử lý chính (Bể trộn đứng, Bể phản ứng hợp khối bể lắng ngang, Cụm 4 bể lọc nhanh trọng lực và Bể chứa nước sạch $W = 1500\text{ m}^3$).
  • Giai đoạn 3 (Tháng 9 - Tháng 10): Lắp đặt thiết bị cơ điện: máy khuấy Dosapro Milton Roy, máy châm định lượng Clo lỏng, máy thổi khí rửa lọc công suất $W_g = 17\text{ l/s.m}^2$, hệ thống máy bơm ly tâm trục ngang cấp 2.
  • Giai đoạn 4 (Tháng 11 - Tháng 12): Vận hành thử nghiệm liên động (commissioning), hiệu chỉnh liều lượng phèn theo mùa lũ/mùa kiệt và bàn giao đưa vào khai thác thương mại.
LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI DỰ ÁN TRẠM CẤP NƯỚC (12 THÁNG)
Tháng:      1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11  12
Giai đoạn 1 [=======]                                      (Khảo sát & Tuyến ống thô D300)
Giai đoạn 2         [===================]                  (Xây dựng Bê tông cốt thép Cụm Bể)
Giai đoạn 3                             [=======]          (Lắp đặt Cơ Điện & Máy khuấy/Bơm)
Giai đoạn 4                                     [=======]  (Commissioning & Bàn giao)

Phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật (CAPEX/OPEX)

  • Tổng mức đầu tư ước tính (CAPEX): Khoảng 18.5 tỷ VNĐ (bao gồm xây dựng cụm công trình đơn vị, trạm bơm cấp 1, trạm bơm cấp 2, cụm thiết bị cơ điện và bể chứa nước sạch).
  • Chi phí vận hành đơn vị (OPEX): Ước tính $2,450\text{ VNĐ/m}^3$ nước sạch (đã bao gồm chi phí điện năng tiêu thụ $0.32\text{ kWh/m}^3$, hóa chất phèn nhôm, vôi tôi, khí clo và nhân công vận hành).
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Ước tính $6.5\text{ năm}$ dựa trên biểu giá nước sinh hoạt đô thị và công suất thương phẩm đạt $95%$ công suất thiết kế.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Nguồn nước mặt sông Kôn có độ đục biến thiên đột ngột vào mùa mưa lũ miền Trung (hàm lượng cặn có thể vượt $1000\text{ mg/l}$ trong thời gian ngắn), đòi hỏi công nhân vận hành phải liên tục làm thí nghiệm Jar-test thủ công để hiệu chỉnh lượng phèn.
  • Chưa trang bị hệ thống thu hồi và ép bùn cặn tự động từ bể lắng (bùn cặn xả ra đang dự kiến dẫn vào sân phơi bùn cát tự nhiên).

Hướng nâng cấp mở rộng

  • Tự động hóa toàn diện bằng SCADA & PLC Siemens S7-1200: Tích hợp bộ điều khiển định lượng hóa chất tự động theo thuật toán Feed-forward dựa trên tín hiệu online của cảm biến đo lưu lượng, độ đục và pH đầu vào.
  • Bổ sung máy ép bùn cơ học: Lắp đặt máy ép bùn băng tải hoặc máy ép bùn khung bản để xử lý triệt để bùn thải từ bể lắng và nước rửa lọc, tái sử dụng tuần hoàn $95%$ lượng nước xả cặn.
  • Nâng công suất modul: Thiết kế dự phòng mặt bằng sẵn sàng ghép nối thêm 01 đơn nguyên xử lý công suất $5000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, nâng tổng công suất toàn trạm lên $10000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ phục vụ mục tiêu mở rộng thị xã An Nhơn giai đoạn đến năm 2035.

Đối tượng hưởng lợi

  • Cộng đồng dân cư & Doanh nghiệp tại Thị xã An Nhơn: Hơn 35,000 người dân tại 8 khu vực nội - ngoại thị phường Bình Định được cung cấp nguồn nước sinh hoạt đạt chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT, loại bỏ triệt để nguy cơ mắc các bệnh truyền nhiễm qua đường nước và bệnh ngoài da.
  • Kỹ sư và Đơn vị tư vấn thiết kế cấp thoát nước: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế với đầy đủ các bước tính toán thủy lực chi tiết từ bể trộn, ngăn tách khí, bể phản ứng cặn lơ lửng đến hệ thống rửa lọc khí - nước kết hợp theo tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006.
  • Nhà nghiên cứu & Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Hạ tầng / Môi trường: Mô hình hóa tường minh chuỗi công nghệ xử lý nước đục cao bằng giải pháp hợp khối; cung cấp bộ tham số thực nghiệm giá trị phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai vận hành trạm xử lý này là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn cấp điện 3 pha ổn định (trang bị máy phát điện dự phòng cho trạm bơm cấp 1 và cấp 2), cao trình trạm xử lý phải đảm bảo nguyên tắc tự chảy thủy lực giữa các công trình đơn vị (Bể trộn $\rightarrow$ Tách khí $\rightarrow$ Phản ứng $\rightarrow$ Lắng ngang $\rightarrow$ Lọc nhanh) nhằm giảm thiểu năng lượng bơm trung gian.

2. Trạm xử lý thích ứng thế nào khi hàm lượng cặn nước sông Kôn tăng đột biến trong mùa lũ?

Khi hàm lượng cặn vượt $1000\text{ mg/l}$, trạm kích hoạt chế độ tăng liều lượng phèn nhôm lên $80 - 90\text{ mg/l}$, đồng thời tăng liều lượng vôi tôi để giữ pH không giảm dưới 6.5. Vùng chứa cặn của bể lắng ngang dung tích $89.6\text{ m}^3$ cho phép tăng tần suất xả cặn thủy lực từ 1 lần/ngày (24h) lên 2-3 lần/ngày mà không làm gián đoạn dòng chảy.

3. Tại sao lại chọn giải pháp rửa bể lọc bằng Khí - Nước kết hợp thay vì chỉ dùng nước thuần túy?

Rửa lọc khí - nước kết hợp (gió $17\text{ l/s.m}^2$ + nước $3-14\text{ l/s.m}^2$) tạo ra lực ma sát bề mặt cực lớn giữa các hạt cát thạch anh, bóc tách hoàn toàn màng cặn bám sâu trong lớp vật liệu dày $0.8\text{ m}$, đồng thời tiết kiệm $35 - 40%$ lượng nước sạch dùng cho rửa lọc so với phương pháp rửa nước thuần túy.

4. Giải pháp chống hiện tượng ăn mòn hóa chất và bảo vệ công trình là gì?

Tất cả các bể hòa trộn và tiêu thụ phèn được quét lớp chống thấm lót nhựa epoxy hoặc composite kháng axit. Đường ống dẫn hóa chất sử dụng ống nhựa uPVC/HDPE chịu hóa chất Class 2. Hệ thống ống phân phối khí - nước rửa bể lọc sử dụng thép không gỉ SUS304 và chụp lọc bằng nhựa polypropylene (PP) nguyên sinh chống mài mòn.

5. Chi phí đầu tư và lộ trình thu hồi vốn của dự án như thế nào?

Tổng mức đầu tư hạ tầng và thiết bị khoảng 18.5 tỷ VNĐ. Với đơn giá nước sạch sinh hoạt bình quân $8,500\text{ VNĐ/m}^3$ và chi phí vận hành (OPEX) $2,450\text{ VNĐ/m}^3$, biên lợi nhuận vận hành đạt khoảng $6,050\text{ VNĐ/m}^3$. Dự án dự kiến đạt điểm hòa vốn sau khoảng 6.5 năm vận hành ở công suất thiết kế $5000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.

Kết luận

Đồ án môn học Xử lý nước cấp với đề tài "Thiết kế Trạm xử lý nước cấp công suất $5000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ phường Bình Định, thị xã An Nhơn" đã giải quyết triệt để bài toán khan hiếm và ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt tại địa phương. Bằng việc lựa chọn nguồn nước mặt sông Kôn kết hợp dây chuyền công nghệ tối ưu: Bể trộn đứng $\rightarrow$ Ngăn tách khí $\rightarrow$ Bể phản ứng cặn lơ lửng $\rightarrow$ Bể lắng ngang $\rightarrow$ Bể lọc nhanh trọng lực $\rightarrow$ Khử trùng Clo, công trình đảm bảo hiệu suất tách cặn $> 98.8%$, cung cấp nguồn nước sạch đạt chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT.

Giải pháp thiết kế hợp khối công trình không chỉ tiết kiệm quỹ đất đô thị quý giá mà còn tối ưu hóa chi phí đầu tư và chi phí vận hành lâu dài. Đây là công trình mang tính thực tiễn cao, đóng góp thiết thực vào sự phát triển bền vững hạ tầng kỹ thuật đô thị của tỉnh Bình Định trong kỷ nguyên mới.