Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị và khu công nghiệp, việc cung cấp nước sạch phục vụ nhu cầu ăn uống và sinh hoạt là yêu cầu thiết yếu nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội. Nguồn nước mặt từ các hệ thống sông hồ tự nhiên có trữ lượng dồi dào nhưng đặc trưng bởi chất lượng biến động lớn theo mùa, chịu ảnh hưởng trực tiếp từ điều kiện thời tiết, dòng chảy lũ và các nguồn thải xung quanh. Nước mặt thường có độ đục, hàm lượng cặn lơ lửng, độ màu và nguy cơ ô nhiễm vi sinh vật cao. Do đó, việc thiết kế một trạm xử lý nước cấp có quy trình công nghệ phù hợp, vận hành ổn định và đạt tiêu chuẩn chất lượng nước sinh hoạt ăn uống là bài toán thực tiễn quan trọng.

Đồ án tốt nghiệp "Công nghệ môi trường – Xử lý nước cấp" của sinh viên Nguyễn Thị Hồng Mai, dưới sự hướng dẫn của giảng viên Mai Quang Tuấn, thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Đánh giá đặc tính lý học, hóa học và vi sinh của nguồn nước mặt thô, so sánh các chỉ tiêu ô nhiễm với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia hiện hành và tiêu chuẩn ngành xây dựng.
  2. Tổng quan các công trình, biện pháp xử lý cơ học, hóa lý, hóa học trong dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp và khảo sát thực tế tại các nhà máy nước đang vận hành tại Việt Nam.
  3. Đề xuất, phân tích so sánh kỹ thuật giữa các phương án dây chuyền công nghệ để lựa chọn sơ đồ công nghệ tối ưu cho nguồn nước cấp nghiên cứu.
  4. Tính toán thiết kế chi tiết thông số kích thước, cấu tạo thủy lực của từng công trình đơn vị từ khâu công trình thu nước, trạm bơm, hóa chất, bể trộn, bể phản ứng, bể lắng, bể lọc nhanh đến bể chứa nước sạch và trạm khử trùng.
  5. Thiết kế các hạng mục công trình phụ trợ quản lý vận hành và công trình xử lý cặn bùn (sân phơi bùn).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là nguồn nước mặt có hàm lượng cặn và độ đục cao (độ đục $210\text{ NTU}$, cặn lơ lửng $\text{SS} = 350\text{ mg/l}$, tổng chất rắn $\text{TS} = 420\text{ mg/l}$). Phạm vi thiết kế kỹ thuật của đồ án giới hạn ở quy mô công suất trạm xử lý $Q = 60.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ (tương đương $2.500\text{ m}^3/\text{h}$ hay $0,69\text{ m}^3/\text{s}$), với chất lượng nước sau xử lý bắt buộc đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý xử lý nước cấp truyền thống bao gồm: quá trình keo tụ - tạo bông (sử dụng chất phản ứng phèn nhôm tạo bông hydroxide kết dính các hạt cặn phân tán); quá trình kiềm hóa dung dịch để ổn định độ pH tối ưu cho phản ứng keo tụ; lý thuyết lắng trọng lực hạt cặn trong môi trường chảy tầng (chỉ số Reynolds $\text{Re} < 20.000$); lý thuyết lọc nước qua lớp vật liệu hạt đồng nhất (cát thạch anh và sỏi đỡ) có chu kỳ rửa lọc hoàn nguyên bằng phương pháp kết hợp gió và nước; và lý thuyết khử trùng oxy hóa tế bào vi sinh vật gây bệnh bằng Clo lỏng tạo thành axit hipoclorit ($\text{HOCl}$).

Các văn bản pháp luật, quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật được tác giả trích dẫn và áp dụng xuyên suốt gồm có:

  • QCVN 01:2009/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống.
  • QCVN 02:2009/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt.
  • QCVN 08:2009/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt.
  • TCXD 33:2006 (hoặc TCXDVN 33:2006): Tiêu chuẩn thiết kế Cấp nước - Mạng lưới đường ống và công trình.
  • TCVN 33-1985: Tiêu chuẩn thiết kế cấp nước.
  • Các tài liệu chuyên khảo chuyên ngành cấp thoát nước của PGS. Trịnh Xuân Lai và PGS. TS. Nguyễn Ngọc Dung.

Phương pháp nghiên cứu chính là phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật công nghệ môi trường:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành để lập luận cơ sở lý thuyết và tổng quan các biện pháp công nghệ.
  • Phương pháp phân tích so sánh kỹ thuật định tính và định lượng nhằm lựa chọn sơ đồ công nghệ xử lý phù hợp với đặc thù công suất $60.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
  • Phương pháp tính toán thủy lực công trình xử lý nước: tính toán cân bằng vật chất, cân bằng liều lượng hóa chất keo tụ và kiềm hóa, tính toán kích thước mặt bằng, chiều cao công tác, vận tốc dòng chảy, tổn thất áp lực và hệ số dự trữ theo tiêu chuẩn TCXD 33:2006.

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng bộ số liệu quan trắc phân tích các chỉ tiêu lý - hóa học của nguồn nước mặt thực tế (nhiệt độ, pH, độ màu, độ đục, TS, SS, sắt, amoni, mangan), cùng các thông số vận hành thực tế tại Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức (khai thác nước sông Đồng Nai) và Nhà máy xử lý nước Tam Hiệp (khai thác nước sông Sài Gòn).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về nước cấp và các biện pháp xử lý nước mặt

Chương I hệ thống hóa các kiến thức cơ sở về chất lượng nước và công nghệ xử lý nước cấp hiện đại:

  • Tính chất lý học, hóa học và vi sinh: Trình bày tác động của các chỉ tiêu như nhiệt độ ($4 - 40^\circ\text{C}$), cặn không tan sấy khô ở $105 - 110^\circ\text{C}$, độ màu ($\text{Pt-Co} < 200\text{ PtCo}$), độ đục ($1\text{ NTU} \approx 0,58\text{ mg formazin/l}$), độ dẫn điện ($4,2\text{ }\mu\text{S/m}$ ở $20^\circ\text{C}$). Phân tích các thông số hóa học: pH, độ kiềm, độ cứng, độ oxy hóa $\text{KMnO}_4$, hàm lượng clorua, sunfat ($> 400\text{ mg/l}$ gây mất nước), florua ($0,5 - 1\text{ mg/l}$ bảo vệ men răng), sắt ($> 0,5\text{ mg/l}$ gây mùi vị tanh và ố vàng sản phẩm), mangan ($> 0,05\text{ mg/l}$ gây hại tương tự sắt), nhôm hòa tan trong nước phèn mùa mưa (pH giảm còn $2,5$, $\text{Fe}^{2+}$ đến $300\text{ mg/l}$, $\text{Al}^{3+}$ từ $5 - 70\text{ mg/l}$ có độc tính liên quan bệnh Alzheimer), và các khí hòa tan ($\text{O}_2, \text{CO}_2, \text{H}_2\text{S}$). Nêu 3 nhóm vi sinh vật chỉ thị ô nhiễm phân: Coliform (đặc trưng là Escherichia coli), Streptococci (Streptococcus faecalis), và Clostridia khử sunfit (Clostridium perfringens).
  • Quy chuẩn chất lượng nước cấp: Trích xuất bảng giới hạn tối đa 28 chỉ tiêu theo QCVN 01:2009/BYT (như độ đục $\le 2\text{ NTU}$, độ màu $\le 15\text{ TCU}$, pH $6,5 - 8,5$, độ cứng $300\text{ mg/l}$, sắt $0,3\text{ mg/l}$, mangan $0,3\text{ mg/l}$, nhôm $0,2\text{ mg/l}$).
  • Tổng quan các phương pháp xử lý:
    • Hóa lý: Keo tụ bằng phèn nhôm $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$, phèn sắt $\text{FeSO}_4$, $\text{FeCl}_3$, kiềm hóa bằng vôi $\text{CaO}$, xút $\text{NaOH}$ hoặc $\text{Na}_2\text{CO}_3$; cơ chế hấp phụ vật lý và hóa học.
    • Hóa học: Khử trùng bằng Clo lỏng, clorua vôi $\text{Ca(OCl)}_2$, hỗn hợp clo và amoniac (ngăn mùi clorophenol), ozon (thời gian tiếp xúc 5 phút), tia tử ngoại (UV), siêu âm ($\ge 5\text{ phút}$), đun nhiệt sôi và ion bạc ($2 \times 10^{-2}\text{ mg/l}$). Làm mềm nước bằng phương pháp vôi, vôi kết hợp sôđa, natri photphat $\text{Na}_3\text{PO}_4$ ở nhiệt độ $> 100^\circ\text{C}$ (đưa độ cứng xuống $0,04 - 0,05\text{ mđlg/l}$) và làm mềm nhiệt.
    • Cơ học: Phân loại và nguyên lý làm việc của các loại bể lắng (bể lắng ngang dùng cho công suất $> 3.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$; bể lắng đứng cho trạm $< 3.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$; bể lắng lớp mỏng có vách nghiêng $45^\circ - 60^\circ$; bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng cho công suất đến $3.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$; bể lắng ly tâm cho nước có hàm lượng cặn $> 2.000\text{ mg/l}$ và công suất $\ge 30.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$). Phân loại bể lọc theo tốc độ lọc (lọc chậm $0,1 - 0,5\text{ m/h}$, lọc nhanh $5 - 15\text{ m/h}$, lọc cao tốc $33 - 100\text{ m/h}$) và chế độ áp lực (hở trọng lực hoặc có áp); cấu tạo bể lọc chậm, bể lọc nhanh phổ thông, bể lọc nhanh 2 lớp (cát thạch anh và than antraxít), lọc sơ bộ, lọc áp lực và lọc tiếp xúc.
  • Khảo sát dây chuyền thực tế: Sơ đồ dây chuyền Nhà máy nước BOO Thủ Đức (nguồn nước sông Đồng Nai sử dụng bể phản ứng cơ khí, bể lắng ngang, bể lọc nhanh) và Nhà máy nước Tam Hiệp (nguồn nước sông Sài Gòn sử dụng bể trộn vách ngăn, bể phản ứng cơ khí, bể lắng đáy phẳng có tầng cặn lơ lửng, bể lọc Aquazur).

Chương II: Lựa chọn dây chuyền công nghệ và tính toán các công trình đơn vị

Chương II tập trung vào việc thiết kế cụ thể cho trạm cấp nước công suất $60.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$:

  • Đánh giá nước nguồn: So sánh chất lượng nước thô với quy chuẩn để xác định thông số vượt giới hạn cần xử lý:
STT Thông số Đơn vị Giá trị nước nguồn QCVN 02:2009/BYT QCVN 08:2009/BTNMT TCXD 33:2006 Đánh giá
1 Nhiệt độ $^\circ\text{C}$ 28 - - - -
2 pH - 6,8 6,0 – 8,5 6,5 – 8,5 6,0 – 8,5 Đạt chuẩn
3 Độ màu NCU 10 $\le 15$ 15 - Đạt chuẩn
4 Độ đục NTU 210 $\le 2$ 5 - Vượt chuẩn (Cần xử lý)
5 TS mg/l 420 - - 20 Vượt chuẩn (Cần xử lý)
6 SS mg/l 350 - - - Vượt chuẩn (Cần xử lý)
7 Sắt mg/l 0,2 $\le 0,3$ 0,5 0,5 Đạt chuẩn
8 Amoni mg/l 0,05 $\le 1,5$ 3 0,1 Đạt chuẩn
9 Mangan mg/l 0,1 $\le 0,2$ - - Đạt chuẩn
  • So sánh và lựa chọn dây chuyền công nghệ:
    • Phương án 1: Trạm bơm cấp 1 $\rightarrow$ Bể trộn đứng (châm phèn, vôi) $\rightarrow$ Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng $\rightarrow$ Bể lắng ngang $\rightarrow$ Bể lọc nhanh $\rightarrow$ Bể chứa nước sạch (khử trùng Clo) $\rightarrow$ Trạm bơm cấp 2 $\rightarrow$ Mạng lưới.
    • Phương án 2: Trạm bơm cấp 1 $\rightarrow$ Bể trộn đứng (châm phèn, vôi) $\rightarrow$ Bể phản ứng vách ngăn $\rightarrow$ Bể lắng ly tâm $\rightarrow$ Bể lọc nhanh $\rightarrow$ Bể chứa nước sạch (khử trùng Clo) $\rightarrow$ Trạm bơm cấp 2 $\rightarrow$ Mạng lưới.
    • Tác giả lựa chọn Phương án 1 vì: Bể phản ứng vách ngăn ở Phương án 2 đòi hỏi khối lượng xây dựng lớn do nhiều vách ngăn và tổn thất áp lực cao; bể lắng ly tâm có cấu tạo phức tạp, quản lý khó khăn, thu nước khó đều quanh chu vi và hệ thống gạt bùn dễ hư hỏng. Ngược lại, Phương án 1 kết hợp bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng với bể lắng ngang thu nước đều bề mặt cho hiệu quả xử lý cao, ổn định và dễ vận hành đối với trạm công suất lớn.
  • Tính toán các công trình đơn vị:
    • Song chắn rác và ngăn thu - ngăn hút: Song chắn gồm các thanh thép tròn $d = 10\text{ mm}$, khoảng cách $a = 40\text{ mm}$, vận tốc qua song $v = 0,4\text{ m/s}$, diện tích công tác $1,48\text{ m}^2$, chiều cao $H = 0,9\text{ m}$, chiều rộng $B = 1,64\text{ m}$. Bố trí 1 bể gồm 1 ngăn thu ($2,5\text{ m} \times 2\text{ m}$) và 1 ngăn hút ($2,5\text{ m} \times 2\text{ m}$), đường kính ống hút máy bơm cấp 1 là $D_h = 550\text{ mm}$, đường kính phễu thu $D_f = 0,85\text{ m}$.
    • Hệ thống hóa chất keo tụ và kiềm hóa: Liều lượng phèn nhôm $P_{\text{Al}} = 50\text{ mg/l}$. Bể hòa trộn phèn thiết kế 1 bể hình tròn đường kính $D = 1,4\text{ m}$, chiều cao $H = 7,0\text{ m}$, thể tích $9,7\text{ m}^3$ (dung tích tính toán $W_h = 8,75\text{ m}^3$). Bể tiêu thụ phèn nồng độ $5%$ gồm 2 bể ($D = 1,4\text{ m}$, chiều cao $H = 6,9\text{ m}$, thể tích $9,7\text{ m}^3$). Kiềm hóa dùng vôi tôi $\text{CaO}$ với liều lượng $P_{\text{CaO}} = 70,6\text{ mg/l}$; thiết kế 2 bể hòa trộn vôi ($D = 1,4\text{ m}$, chiều cao $H = 5,2\text{ m}$, thể tích $9\text{ m}^3$) và 4 bể tiêu thụ vôi ($D = 1,4\text{ m}$, chiều cao $H = 5,2\text{ m}$, thể tích $9\text{ m}^3$).
    • Bể trộn đứng: Thiết kế 2 bể; ống dẫn nước vào đường kính $d = 400\text{ mm}$; mặt bằng đáy nhỏ hình vuông cạnh $0,4\text{ m}$ ($f_đ = 0,16\text{ m}^2$), mặt bằng đáy lớn hình vuông cạnh $3,7\text{ m}$ ($f_t = 14\text{ m}^2$); chiều cao phần chóp $h_d = 2\text{ m}$ (góc nghiêng $40^\circ$), chiều cao phần hình hộp trên $h_2 = 2,2\text{ m}$, chiều cao xây dựng toàn phần $H_{xd} = 4,5\text{ m}$.
    • Bể lắng ngang thu nước bề mặt: Thiết kế 6 bể; chiều rộng mỗi bể $B = 4,5\text{ m}$, chiều dài $L = 56\text{ m}$, chiều cao vùng lắng $H = 3\text{ m}$, chiều cao xây dựng $H_{xd} = 3,7\text{ m}$. Vận tốc dòng nước trung bình $v_{tb} = 9\text{ mm/s}$, chỉ số Reynolds $\text{Re} = 11.394 < 20.000$ (dòng chảy tầng ổn định). Thời gian giữa hai lần xả cặn $T = 6\text{ giờ}$, thể tích vùng chứa cặn mỗi bể $W_c = 36\text{ m}^3$. Vách ngăn phân phối đục 96 lỗ vuông cạnh $0,05\text{ m}$ tạo góc nghiêng $25^\circ$. Máng thu nước bề mặt cuối bể dài $37\text{ m}$, rộng $0,4\text{ m}$, sâu $0,5\text{ m}$, gồm 240 lỗ đường kính $25\text{ mm}$. Đường kính ống xả cặn $D = 250\text{ mm}$; đường kính ống dẫn sang bể lọc $D = 400\text{ mm}$.
    • Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng: Thiết kế 6 bể hợp khối trực tiếp với 6 bể lắng ngang; kích thước mỗi bể rộng $B = 4,5\text{ m}$, dài $L = 12\text{ m}$, chiều cao tổng cộng $H = 2,3\text{ m}$; thời gian phản ứng $t = 20\text{ phút}$. Bố trí 3 tấm chắn hướng dòng cách nhau $3\text{ m}$. Đáy bể đặt 2 ống nhánh phân phối đục 116 lỗ đường kính $25\text{ mm}$ nghiêng $45^\circ$.
    • Bể lọc nhanh một lớp vật liệu: Gồm 10 bể lọc; diện tích mỗi bể $f = 35\text{ m}^2$ (kích thước $L \times B = 7\text{ m} \times 5\text{ m}$); tốc độ lọc bình thường $v_{bt} = 8\text{ m/h}$ (chế độ tăng cường ngừng 1 bể để rửa đạt yêu cầu quy phạm). Chiều dày lớp cát lọc $1,4\text{ m}$ (cỡ hạt $d_{min} = 0,5\text{ mm}, d_{max} = 1,6\text{ mm}$), lớp sỏi đỡ dày $0,7\text{ m}$, chiều cao lớp nước trên vật liệu $2\text{ m}$, tổng chiều cao bể $H = 5,7\text{ m}$. Áp dụng phương pháp rửa lọc kết hợp gió và nước: cường độ nước rửa $W_n = 16\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$, cường độ gió $W_{gió} = 16\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$, lưu lượng nước rửa $0,56\text{ m}^3/\text{s}$ (ống chính thép không gỉ $D = 400\text{ mm}$), ống gió chính $D_{gió} = 200\text{ mm}$. Sàn bể bố trí chụp lọc đuôi dài với mật độ 40 chụp/$\text{m}^2$ (tổng số $1.400$ chụp/bể). Mỗi bể có 4 máng thu nước rửa đáy tam giác rộng $0,45\text{ m}$, sâu $0,55\text{ m}$. Tổng tổn thất áp lực trong nội bộ bể lọc là $9,97\text{ m}$.
    • Bể chứa nước sạch: Gồm 8 bể; tổng dung tích $W_{BC} = 16.000\text{ m}^3$ (dung tích điều hòa $W_{ĐH} = 12.000\text{ m}^3$, tương ứng $20% Q$; dung tích chữa cháy trong 3 giờ $W_{CC} = 108\text{ m}^3$; dung tích dự trữ cho bản thân trạm $W_{BT} = 3.600\text{ m}^3$, tương ứng $6% Q$). Dung tích mỗi bể $2.000\text{ m}^3$; kích thước mặt bằng dài $L = 25\text{ m}$, rộng $B = 16\text{ m}$, chiều sâu nước $h = 5\text{ m}$, chiều cao tổng cộng $H_{bc} = 5,5\text{ m}$.
    • Trạm khử trùng bằng Clo: Dùng Clo lỏng với liều lượng tính toán $3,9\text{ mg/l}$ (lượng clo hoạt tính cho vào nước là $3\text{ mg/l}$ nhân hệ số $1,3$ theo TCXD 33:2006). Lượng Clo tiêu thụ trong một ngày là $234\text{ kg}$ (tương đương $159\text{ lít}$ với trọng lượng riêng $1,47\text{ kg/l}$). Dự trữ bình Clo trong 30 ngày tương đương $4.770\text{ lít}$. Nhà trạm Clo bố trí 2 gian riêng biệt (gian đặt cloratơ và gian đặt bình clo), xây dựng cuối hướng gió, trang bị hệ thống thông gió tần suất 12 lần/giờ, giàn phun nước áp lực cao và bể chứa dung dịch trung hòa khi xảy ra sự cố rò rỉ.
    • Công trình phụ trợ và Sân phơi bùn: Bố trí phòng bảo vệ $15\text{ m}^2$ ($5\text{ m} \times 3\text{ m}$), phòng trực ca $20\text{ m}^2$ ($5\text{ m} \times 4\text{ m}$), phòng kho $15\text{ m}^2$ ($5\text{ m} \times 3\text{ m}$), phòng thí nghiệm $40\text{ m}^2$ ($10\text{ m} \times 4\text{ m}$). Sân phơi bùn được thiết kế đủ dung tích chứa lượng bùn xả ra trong $4 - 6$ tháng mùa lũ, độ dốc đáy $1%$, lát đá hộc hoặc bê tông miết vữa xi măng asphan; kết cấu lọc đáy gồm lớp sỏi cỡ $16 - 32\text{ mm}$ dày $200\text{ mm}$, lớp sỏi nhỏ $4 - 8\text{ mm}$ dày $100\text{ mm}$ và lớp sỏi $1 - 2\text{ mm}$ dày $100\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật công nghệ cho trạm xử lý nước cấp công suất $60.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, đưa ra bảng thông số kỹ thuật đầy đủ cho các công trình đơn vị:

Hạng mục công trình Số lượng Kích thước mặt bằng (m) Chiều cao / Chiều sâu (m) Thông số kỹ thuật chính
Song chắn rác 01 bể (2 ngăn) $B = 1,64$; $L = 2,5$ $H = 0,9$ Thanh thép $d = 10\text{ mm}$, khe hở $a = 40\text{ mm}$, $v = 0,4\text{ m/s}$
Ngăn thu – Ngăn hút 1 thu, 1 hút $2,5 \times 2,0$ mỗi ngăn Phễu thu $D_f = 0,85$ Ống hút bơm cấp 1 $D_h = 550\text{ mm}$
Bể hòa trộn phèn 01 bể $D = 1,4$ $H = 7,0$ Thể tích $9,7\text{ m}^3$, nồng độ $10%$
Bể tiêu thụ phèn 02 bể $D = 1,4$ $H = 6,9$ Thể tích $9,7\text{ m}^3/\text{bể}$, nồng độ $5%$, liều lượng $50\text{ mg/l}$
Bể hòa trộn vôi 02 bể $D = 1,4$ $H = 5,2$ Thể tích $9,0\text{ m}^3/\text{bể}$, nồng độ $10%$
Bể tiêu thụ vôi 04 bể $D = 1,4$ $H = 5,2$ Thể tích $9,0\text{ m}^3/\text{bể}$, nồng độ $5%$, liều lượng $70,6\text{ mg/l}$
Bể trộn đứng 02 bể Đáy $0,4 \times 0,4$; Miệng $3,7 \times 3,7$ $H_{xd} = 4,5$ Ống cấp nước vào $d = 400\text{ mm}$, góc côn $40^\circ$
Bể phản ứng cặn lơ lửng 06 bể $12,0 \times 4,5$ $H = 2,3$ Thời gian lưu $20\text{ phút}$, 3 vách hướng dòng, 116 lỗ phân phối
Bể lắng ngang 06 bể $56,0 \times 4,5$ $H_{xd} = 3,7$ Vận tốc $v_{tb} = 9\text{ mm/s}$, $\text{Re} = 11.394$, vách đục 96 lỗ, máng thu 240 lỗ
Bể lọc nhanh một lớp 10 bể $7,0 \times 5,0$ $H = 5,7$ Vận tốc lọc $8\text{ m/h}$, cát dày $1,4\text{ m}$, sỏi dày $0,7\text{ m}$, 1.400 chụp lọc/bể
Bể chứa nước sạch 08 bể $25,0 \times 16,0$ $H_{bc} = 5,5$ Dung tích $2.000\text{ m}^3/\text{bể}$ (tổng $16.000\text{ m}^3$), thời gian tiếp xúc clo $30\text{ phút}$
Trạm khử trùng Clo 02 gian - - Liều lượng $3,9\text{ mg/l}$, tiêu thụ $234\text{ kg/ngày}$, dự trữ 30 ngày ($4.770\text{ lít}$)
Sân phơi bùn - Đáy dốc $1%$ Lớp sỏi đệm $400\text{ mm}$ Sức chứa bùn $4 - 6$ tháng mùa lũ

Các giải pháp kỹ thuật chính được tác giả đề xuất bao gồm:

  • Tích hợp hợp khối bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng ngay phía trước bể lắng ngang thu nước đều trên bề mặt, giúp tiết kiệm diện tích xây dựng, tận dụng động học dòng chảy để tăng hiệu quả tạo bông cặn mà không cần máy khuấy cơ khí.
  • Bù kiềm cho nguồn nước bằng dung dịch vôi tôi $\text{CaO}$ ($70,6\text{ mg/l}$) nhằm duy trì độ pH tối ưu cho quá trình keo tụ của phèn nhôm, ngăn chặn sự giảm sút độ kiềm tự nhiên do nồng độ ion $\text{H}^+$ giải phóng trong phản ứng thủy phân phèn.
  • Ứng dụng kỹ thuật rửa lọc kết hợp cả gió và nước với cường độ $16\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$ cho mỗi loại qua hệ thống sàn chụp lọc đuôi dài ($40\text{ chụp/m}^2$), giúp giảm lượng nước sạch tiêu hao trong quá trình rửa lọc và tăng khả năng bóc tách cặn bẩn bám dính trên hạt cát thạch anh.
  • Bố trí tuần hoàn xử lý nước rửa lọc và phơi bùn lắng tại sân phơi chuyên dụng, hạn chế ô nhiễm thứ cấp đối với nguồn nước tiếp nhận.

So với các tài liệu tính toán mẫu thông thường, đồ án đóng góp một trường hợp tính toán hoàn chỉnh từ công trình thu nước đầu vào đến xả bùn cuối cùng cho một trạm xử lý nước mặt quy mô lớn ($60.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$) dựa trên hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXD 33:2006).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nội dung đồ án chỉ dừng lại ở bước tính toán công nghệ và xác lập kích thước cơ bản trên lý thuyết theo các công thức quy phạm của TCXD 33:2006 và tài liệu hướng dẫn của PGS. Trịnh Xuân Lai, PGS. TS. Nguyễn Ngọc Dung; chưa có dữ liệu quan trắc thực tế biến động chất lượng nước theo mùa lũ và mùa cạn tại vị trí thu nước cụ thể.
  • Đồ án chưa thực hiện các tính toán chi tiết về mặt cơ khí - điện lực (chọn chủng loại máy bơm cấp 1, cấp 2, máy nén khí rửa lọc, máy khuấy hóa chất) và chưa lập dự toán kinh tế chi phí đầu tư xây dựng (CAPEX) cũng như chi phí hóa chất, điện năng vận hành (OPEX).

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất dựa trên phạm vi nghiên cứu:

  • Khảo sát ứng dụng hệ thống châm hóa chất tự động kiểm soát theo tải lượng độ đục và chỉ số pH thực tế của nước nguồn thô (hệ thống điều khiển SCADA).
  • Nghiên cứu thay thế sân phơi bùn thủ công bằng các thiết bị cơ giới hóa như máy ép bùn khung bản hoặc máy ép bùn ly tâm để giảm thiểu diện tích chiếm đất của trạm xử lý.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Cấp thoát nước, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành xử lý nước cấp đô thị.
  • Các kỹ sư thiết kế công nghệ môi trường cần tra cứu công thức tính toán thủy lực, lựa chọn thông số quy chuẩn theo TCXD 33:2006 cho các công trình: bể trộn đứng, bể phản ứng tầng cặn lơ lửng, bể lắng ngang thu nước bề mặt, và bể lọc nhanh rửa bằng gió - nước kết hợp.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất trong đồ án là phương pháp tính toán cân bằng lượng vôi kiềm hóa đi kèm phèn nhôm, các bảng tính kích thước hình học chi tiết của vách ngăn đục lỗ phân phối nước và hệ thống chụp lọc sàn công tác.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương án bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng kết hợp bể lắng ngang thay vì bể phản ứng vách ngăn kết hợp bể lắng ly tâm?
Tác giả đã so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật của hai phương án: Bể phản ứng vách ngăn đòi hỏi khối lượng xây dựng lớn do có nhiều vách ngăn và gây tổn thất áp lực cao; bể lắng ly tâm có kết cấu cơ khí gạt bùn phức tạp, khó thu nước đều quanh chu vi và dễ hỏng hóc trong môi trường ẩm ướt. Phương án được chọn kết hợp bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng và bể lắng ngang thu nước đều trên bề mặt mang lại hiệu quả lắng cao, chế độ thủy lực ổn định ($\text{Re} = 11.394$ thuộc dòng chảy tầng) và đơn giản hơn trong công tác quản lý vận hành.

2. Liều lượng phèn nhôm và vôi kiềm hóa được xác định bằng bao nhiêu và tính toán trên cơ sở nào?
Liều lượng phèn nhôm được xác định là $P_{\text{Al}} = 50\text{ mg/l}$ dựa trên việc so sánh hàm lượng phèn cần thiết để khử đồng thời độ đục ($210\text{ NTU}$) và độ màu ($10\text{ NCU}$) theo bảng 6.11 trang 30 của tiêu chuẩn TCXD 33:2006. Liều lượng vôi tôi $\text{CaO}$ để kiềm hóa nước được tính toán bằng công thức quy phạm $D_k = K \times (e \times P_p / 57 - k)$, với kết quả tính ra là $70,6\text{ mg/l}$, nhằm bù đắp lượng kiềm tự nhiên bị tiêu hao trong quá trình thủy phân phèn nhôm và giữ pH ổn định cho quá trình keo tụ.

3. Bể lọc nhanh một lớp được thiết kế với các thông số vật liệu và quy trình rửa lọc như thế nào?
Bể lọc nhanh gồm 10 bể, diện tích mỗi bể $35\text{ m}^2$ ($7\text{ m} \times 5\text{ m}$), vận tốc lọc bình thường $8\text{ m/h}$. Lớp vật liệu lọc là cát thạch anh dày $1,4\text{ m}$ ($d = 0,5 - 1,6\text{ mm}$), đặt trên lớp sỏi đỡ dày $0,7\text{ m}$. Công nghệ rửa lọc sử dụng phương pháp kết hợp gió và nước: cường độ nước rửa $16\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$, cường độ gió $16\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$, thời gian rửa $6\text{ phút}$. Đáy bể bố trí sàn chụp lọc với $1.400$ chụp lọc đuôi dài khe hở $1\text{ mm}$ cho mỗi bể (mật độ 40 chụp/$\text{m}^2$).

4. Dung tích tổng cộng $16.000\text{ m}^3$ của bể chứa nước sạch được cấu thành từ những thành phần nào?
Theo công thức tính toán trong đồ án, tổng thể tích bể chứa $W_{BC} = W_{ĐH} + W_{CC} + W_{BT}$. Trong đó: dung tích điều hòa $W_{ĐH} = 20% Q = 12.000\text{ m}^3$; dung tích dự trữ chữa cháy trong 3 giờ liên tục $W_{CC} = 108\text{ m}^3$ (tiêu chuẩn $10\text{ l/s}$); dung tích dự trữ cho bản thân trạm xử lý $W_{BT} = 6% Q = 3.600\text{ m}^3$. Tổng cộng tính toán ra $15.708\text{ m}^3$ và được tác giả chọn tròn là $16.000\text{ m}^3$, phân chia đều cho 8 bể chứa ($2.000\text{ m}^3/\text{bể}$).

5. Hệ thống khử trùng bằng Clo lỏng được tính toán với liều lượng và nhu cầu dự trữ ra sao?
Nước sau lọc được khử trùng bằng Clo lỏng với liều lượng clo hoạt tính là $3\text{ mg/l}$, nhân hệ số dự trữ $1,3$ theo TCXD 33:2006 thành liều lượng tính toán $3,9\text{ mg/l}$. Trạm tiêu thụ $234\text{ kg Clo/ngày}$ (tương đương $159\text{ lít/ngày}$). Lượng Clo dự trữ tối thiểu trong 30 ngày tại trạm là $4.770\text{ lít}$, được lưu trữ trong các bình clo chuyên dụng đặt tại gian phòng cách ly có hệ thống quạt hút gió tuần hoàn 12 lần/giờ và hệ thống hấp thụ trung hòa khí clo khi xảy ra sự cố.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Công nghệ môi trường – Xử lý nước cấp" của sinh viên Nguyễn Thị Hồng Mai đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật trạm cấp nước sạch công suất $60.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ từ nguồn nước mặt có độ đục và cặn lơ lửng cao. Tác giả đã lập luận và lựa chọn thành công dây chuyền công nghệ gồm bể trộn đứng, bể phản ứng tầng cặn lơ lửng hợp khối bể lắng ngang, bể lọc nhanh rửa gió - nước kết hợp và khử trùng bằng Clo lỏng. Toàn bộ các công trình đơn vị được tính toán chi tiết về kích thước hình học, thủy lực và liều lượng hóa chất theo đúng các quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT và tiêu chuẩn thiết kế TCXD 33:2006. Đây là tài liệu thuyết minh thiết kế kỹ thuật mẫu mực, chuẩn xác về mặt số liệu và có giá trị tham khảo học thuật cao cho sinh viên cũng như kỹ sư ngành kỹ thuật môi trường.