Đặt vấn đề Theo sở Tài Nguyên và Môi Trường thành phố Hồ Chí Minh, mỗi ngày thành phố có 60% lượng nước thải chỉ được xử lý sơ bộ (Ước khoảng 360.000m3/ngày đêm trong tổng số 600.000m3/ngày đêm) trước khi thải vào hệ thống chung của thành phố. Theo Trung tâm Điều hành chống ngập nước của thành phố Hồ Chí Minh, đến thời điểm hiện tại cả thành phố chỉ có 3 nhà máy xử lý nước thải là Tân Quy Đông, nhà máy Bình Hưng Hòa và nhà máy Bình Hưng. Thành phố Hồ Chí Minh với đặc điểm là một thành phố lớn, nơi tập trung đông dân cư, tập trung nhiều loại hình dịch vụ cũng như nhiều ngành sản xuất khác nhau, do đó lưu lượng nước thải hàng ngày của thành phố là rất lớn. Lưu lượng và thành phần nước thải thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, do đó việc xác định đúng lưu lượng cũng như chất lượng nước thải hàng ngày là rất cần thiết, ảnh hưởng đến quá trình quy hoạch xây dựng các nhà máy xử lý nước thải trong tương lai cũng như công nghệ xử lý nước thải được áp dụng, đồng thời liên quan đến chế độ vận hành trạm xử lý nước thải.
Việc xây dựng thêm hay mở rộng nhà máy xử lý nước thải là cần thiết để xử lý triệt để lưu lượng và chất lượng nước thải, đồng thời cải thiện điều kiện môi trường sống của người dân. Với những lý do đã nêu trên, đề tài “ Mô phỏng dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng” đã được đề xuất nghiên cứu để góp phần giải quyết vấn đề xác định lưu lượng, chất lượng nước thải và vận hành hiệu quả cho trạm xử lý. Lưu vực mô phỏng mạng lưới thoát nước là lưu vực Tàu Hũ – Đôi – Tẻ thể hiện trên hình 1. 1: Lưu vực thoát nước Tàu Hũ – Đôi – Tẻ và các lưu vực lân cận 1.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Sử dụng mô hình toán để dự báo được lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng trong tương lai. Mô hình hóa lưu lượng và chất lượng nước thải bằng phần mềm SWMM, xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả mô hình hóa, từ đó có thể đề ra phương án vận hành nhà máy một cách hiệu quả. Việc nghiên cứu đề tài có thể được ứng dụng cho các dự án tương tự trong tương lai một cách hiệu quả. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.
Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là lưu lượng và các thành phần có trong nước thải chảy về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng ở hiện tại và tương lai. 12 Mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải nhà máy Bình Hưng bằng SWMM. Phạm vi nghiên cứu Lưu vực nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng phụ trách hiện tại và tương lai. Lưu lượng và chất lượng nước thải, các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý Bình Hưng.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu 1. Nội dung nghiên cứu Luận văn nghiên cứu những vấn đề sau: - Nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của khu vực - Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng và chất lượng nước thải sử dụng trong việc mô phỏng. - Cơ sở lý thuyết, các phương trình toán học mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải. - Phương pháp mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải bằng phần mềm SWMM.
- Ảnh hưởng của phương pháp mô phỏng dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải đến chế độ vận hành và phương pháp xử lý nước thải tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa Tiếp thu và sử dụng có chọn lọc kết quả nghiên cứu và thành tựu khoa học công nghệ của các tác giả trong và ngoài nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài. 13 Phương pháp thu thập và đánh giá số liệu Điều tra thu thập tài liệu, khảo sát và nghiên cứu thực tế, phân tích đánh giá và tổng hợp tài liệu từ đó rút ra các cơ sở khoa học và khả năng ứng dụng vào thực tiễn. Phương pháp sử dụng mô hình Phân tích ưu điểm, nhược điểm và các thế mạnh của mô hình thủy lực SWMM, để giải quyết bài toán lưu lượng và chất lượng nước trong đề tài.
Quản lý dữ liệu bằng Mapinfo. Thu thập thông tin tại các đơn vị quản lý dự án, website có liên quan. Trong đề tài này sử dụng phương pháp thu thập số liệu lưu lượng và chất lượng nước thải tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, phân tích, đánh giá số liệu và sử dụng mô hình SWMM để mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc mô phỏng dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, cho biết những yếu tố ảnh hưởng đến sự biến đổi lưu lượng cũng như chất lượng nước thải.
Chúng ta có thể dùng mô hình toán cho dòng chảy và vận tải chất với những điều kiện biên thích hợp, sau đó ứng dụng phương pháp xấp xỉ liên tiếp hay phương pháp sai phân hữu để giải bài toán, đồng thời cũng có thể sử dụng những mô hình thủy lực phù hợp cho mô phỏng. Từ nghiên cứu cũng như kết quả đạt được từ đề tài chúng ta có thể áp dụng tính toán, mô phỏng cho những dự án tương tự trong tương lai khi muốn quy hoạch xây dựng, vận hành các nhà máy xử lý nước thải cho khu dân cư. Đề tài góp phần giải quyết được việc quy hoạch xây dựng, đồng thời đảm bảo được chế độ vận hành hiệu quả cho nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, tránh được những biến động lớn về lưu lượng cũng như chất lượng nước thải ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành trạm xử lý. 14 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2. Tình hình nghiên cứu trong nước Ứng dụng mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai [1] Với mục tiêu của tính toán thủy lực là để xác định một bộ thông số thuỷ lực phù hợp nhất đối với lưu vực nghiên cứu, phục vụ cho mô hình chất lượng nước. Xác định bộ thông số chất lượng nước phù hợp nhất cho khu vực nghiên cứu. Trong nghiên cứu này tập trung vào tính toán một số chỉ tiêu chất lượng nước cơ bản quan tâm trong sông theo thời gian và không gian như DO, BOD, tổng Nitơ, tổng Photpho, tổng Coliforms tương ứng với các điều kiện biên thủy lực và các nguồn thải.
Trong nghiên cứu này, phương pháp mô hình toán đã được sử dụng trong việc mô phỏng chế độ thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cho hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai – một lưu vực sông lớn và giữ vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế đất nước. Kết quả tính toán, mô phỏng thủy văn, thủy lực chất lượng nước bằng mô hình MIKE 11 khá tốt, cho thấy khả năng ứng dụng hiệu quả của mô hình. Tuy nhiên để có thể sử dụng mô hình tốt hơn nữa trong hiện tại và tương lai, đòi hỏi số liệu quan trắc thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cần đồng bộ, dày đặc và chính xác hơn. Sử dụng mô hình SWMM mô phỏng và đánh giá năng lực tiêu thoát tại khu vực nội thành Hà Nội và đề xuất các giải pháp giảm nhẹ tình trạng ngập lụt cho khu vực [4] Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung.
Báo cáo tập trung ứng dụng mô hình SWMM mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước 9 quận nội thành, nằm trong phạm vi mạng lưới sông Tô Lịch với tổng diện tích 77,5m2. Qua việc tổng quan và phân tích các nghiên cứu, cộng với kết quả thu được từ 15 mô hình SWMM, báo cáo nhận thấy một số tồn tại: quy hoạch tiêu thoát chỉ mới tập trung vào các giải pháp công trình, mang tính đơn ngành; với tần suất thiết kế mưa 10% không đáp ứng những trận mưa hơn 291 mm; ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và quá trình đô thị hóa vẫn chưa được xem xét đến. Từ những đánh giá chung đó, báo cáo đề xuất một số giải pháp mang tính tổng thể như: các hướng giải pháp tạm thời, quản lý tích hợp hệ thống tiêu thoát (hướng tiêu thoát trên các trục đường giao thông, khung pháp lý về “bảo hiểm ngập lụt”, dự báo ngập lụt dựa trên hình thế thời tiết gây mưa lũ, xây dựng bản đồ cảnh báo nguy cơ ngập lụt). Những nội dung được đề cập trên sẽ mang nhiều ư nghĩa khoa học, thực tiễn và có tính cấp thiết cho công tác giảm nhẹ thiệt hại lũ lụt cho thành phố, đặc biệt cho khu vực nội thành trong thời gian tới.
Tính toán mô phỏng lan truyền chất sử dụng phần mềm ANSYS [3] Bài báo đã trình bày một số kết quả bước đầu ứng dụng phần mềm ANSYS mô phỏng lan truyền chất hoà tan trong kênh sông lấy sông Hương làm đối tượng nghiên cứu. Bài toán truyền lan chất ô nhiễm được xác định bởi các hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả các định luật vật lý cơ bản. Các phương trình này mô tả sự di chuyển lưu chất trên kênh sông và sự lan truyền những chất tan khác nhau. Các mô hình liên tục mô phỏng truyền lan chất tan trên kênh sông gồm phương trình Navier Stokes (thành phần thuỷ động lực học), các phương trình truyền tải khuếch tán.
Trong thực tế nhiều kênh sông có chiều dài lớn, thẳng và nước nông cho nên một số thành phần trong phương trình mô tả có thể được rút gọn. Hiện nay bài toán giải số các mô hình môi trường đang được đặt ra cấp thiết. Một trong những khó khăn chính ở đây là sự thiếu vắng các thuật toán có hiệu quả cũng như không có các phần mềm tính toán tự động. Đây cũng là nguyên nhân buộc nhiều nhóm nghiên cứu phải từ bỏ nhiều thành phần trong mô hình ban đầu bằng cách làm giảm thiểu chúng đi.
Trong bài báo này trình bày một cách tiếp cận cho phép khắc phục hiện 16 trạng trên.