Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu công trình lọc ODM-2F để loại bỏ cặn lơ lửng trong xử lý nâng cao nước thải đô thị nhằm mục đích tái sử dụng" do nghiên cứu sinh Hoàng Huệ Quân thực hiện tại Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội (Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Xây dựng), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ sở hạ tầng (mã số: 62.10), dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TSKH. Trần Hữu Uyển và PGS. TS. Nghiêm Vân Khanh, bảo vệ năm 2022.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa và gia tăng dân số làm phát sinh lượng nước thải lớn tại các đô thị Việt Nam. Theo thống kê nêu trong luận án, tính đến năm 2020, cả nước có khoảng 63 trạm xử lý nước thải tập trung với công suất thiết kế khoảng 1.000 m³/ngđ mỗi trạm hoặc quy mô lớn hơn, nhưng công suất hoạt động thực tế mới chỉ đáp ứng khoảng 15% lượng nước thải sinh hoạt phát sinh. Phần lớn nước thải sau xử lý bậc 2 mới dừng lại ở tiêu chuẩn xả thải ra nguồn tiếp nhận, gây lãng phí nguồn tài nguyên nước tiềm năng. Theo định hướng quy hoạch quốc gia đến năm 2025, tỷ lệ thu gom và xử lý đạt quy chuẩn tại đô thị loại II trở lên phải đạt 50%, đô thị loại V đạt 20%, đồng thời 20% đến 30% nước thải sau xử lý phải được tái sử dụng cho các mục đích công cộng như tưới cây, rửa đường.

Số liệu tính toán trong luận án xác định nhu cầu dùng nước phi sinh hoạt (không dùng cho ăn uống) chiếm tỷ trọng lớn: đối với đô thị loại III trở lên chiếm khoảng 56% tổng lượng nước thải sinh hoạt (tương đương 41,7% tổng lượng nước cấp sinh hoạt); đối với đô thị loại IV và V chiếm tương ứng khoảng 52,5% và 38,9%. Tuy nhiên, việc xử lý nâng cao sau bậc 2 để tái sử dụng nước thải sinh hoạt tại Việt Nam vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu đầy đủ trên quy mô đô thị. Đặc biệt, vật liệu lọc đa năng ODM-2F vốn đã được áp dụng trong xử lý nước cấp nhưng chưa có nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp tính toán cụ thể nào để loại bỏ cặn lơ lửng (SS) trong dây chuyền xử lý nâng cao nước thải đô thị phục vụ tái sử dụng.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu được tác giả xác định gồm 3 nội dung chính:

  1. Đánh giá thực trạng về xử lý, xử lý nâng cao nước thải và các giải pháp tái sử dụng nước thải.
  2. Xác định các thông số, chỉ tiêu công nghệ và xây dựng phương pháp tính toán thiết kế công trình lọc ODM-2F trong xử lý nâng cao nước thải.
  3. Ứng dụng phương pháp tính toán thiết kế công trình lọc ODM-2F trong xử lý nâng cao nước thải sinh hoạt cho một khu đô thị được lựa chọn nghiên cứu điển hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Công trình lọc sử dụng vật liệu lọc đa năng ODM-2F trong dây chuyền xử lý nâng cao nước thải sinh hoạt đô thị.
  • Phạm vi khoa học: Tập trung vào chỉ tiêu loại bỏ hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) nhằm đáp ứng mục đích cấp nước không dùng cho ăn uống trong đô thị (chữa cháy, tưới cây, rửa đường theo QCVN 01:2008/BTNMT); lựa chọn công nghệ xử lý nâng cao kết hợp giá thể sinh học di động MBBR và lọc hạt ODM-2F; nghiên cứu thực nghiệm pilot để xác lập phương pháp tính toán thiết kế công trình.
  • Phạm vi không gian: Đô thị Việt Nam, với trường hợp nghiên cứu ứng dụng điển hình tại Trạm xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng, thành phố Hà Nội; mô hình thực nghiệm pilot được bố trí tại Trạm xử lý nước thải tập trung Kim Liên, thành phố Hà Nội.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu thực nghiệm pilot được thu thập và thực hiện trong giai đoạn 2016 – 2020; các tính toán quy hoạch bám sát mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội đô thị đến năm 2030, tầm nhìn 2050.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong và ngoài nước

Luận án đã tổng hợp và phân loại các công trình nghiên cứu về hiện trạng xử lý và công nghệ tái sử dụng nước thải:

  1. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải tại Việt Nam: Tác giả phân tích dữ liệu hoạt động của 29 nhà máy xử lý nước thải tập trung đang vận hành (theo số liệu khảo sát từ các nguồn tài liệu của Bộ Xây dựng, JICA, WB, DANIDA). Tổng công suất thiết kế của 29 nhà máy đạt 769.000 m³/ngđ và công suất vận hành thực tế đạt 558.630 m³/ngđ (chiếm 12% theo thiết kế và 9,5% theo thực tế lượng nước thải đô thị). Các công nghệ xử lý chính bao gồm bùn hoạt tính truyền thống CAS (nhà máy Bình Hưng), công nghệ AO/AAO (Kim Liên, Trúc Bạch, Bắc Thăng Long, Nam Viên Phú Mỹ Hưng, Huế), SBR và ASBR (Yên Sở, Hồ Tây, Hòa Xuân, Bãi Cháy, Hà Khánh, Thủ Dầu Một), mương oxy hóa OD (Canh Dơi, Bắc Giang, Nam Nha Trang), hệ thống hồ sinh học (Bình Hưng Hòa, Buôn Ma Thuột, Phan Rang - Tháp Chàm, Đức Ninh), và lắng hóa chất tăng cường kết hợp lọc sinh học (Nhơn Bình).

  2. Kinh nghiệm tái sử dụng nước thải quốc tế:

    • Khu vực Địa Trung Hải: Tunisia tái sử dụng khoảng 65% nước thải sau xử lý bậc 2 để tái nạp nước ngầm, tưới rừng và tưới nông nghiệp; Israel vận hành khoảng 200 hồ chứa dung tích 150 triệu m³ và triển khai dự án Dan Region để xử lý nước thấm qua tầng đất nhằm bổ cập nước ngầm.
    • Khu vực châu Âu: Tại Bỉ, trạm xử lý Wilpen (công suất 2,5 triệu m³/năm) sử dụng công nghệ màng vi lọc và thẩm thấu ngược (MF-RO) để trữ nước vào tầng ngầm chống xâm nhập mặn; tại Pháp, các dự án tại Paris và Tây Nam tưới tiêu cho hơn 3.000 ha nông nghiệp và dự án Aubergencilla hòa trộn 25% nước tái sử dụng vào sông Seine để cấp nước gián tiếp; tại Anh, dự án Waterwise cấp nước tái chế dội toilet cho 130 hộ dân.
    • Khu vực châu Mỹ: Hoa Kỳ ghi nhận khối lượng tái sử dụng nước lớn tại bang California và bang Florida cho nông nghiệp, cảnh quan, bổ cập nước ngầm và giải nhiệt công nghiệp (như các nhà máy điện Harlingen, Denver, Santa Rosa, West Basin); dự án xử lý tại Quận Cam vận hành công suất 378.000 m³/ngđ. Mexico tái sử dụng nước thải cho hơn 85.000 ha đất nông nghiệp tại thung lũng Mezquital và cấp nước tháp làm mát chiếm 16% nước thải đô thị tại Monterrey.
    • Khu vực châu Á: Singapore vận hành hệ thống NEWater với 6 trạm xử lý bậc 2, kết hợp vi lọc (MF), lọc màng (RO) và khử trùng bằng tia cực tím (UV) đạt chất lượng nước ăn uống gián tiếp với lưu lượng 45.000 m³/ngđ (năm 2012) và 90.000 m³/ngđ cấp cho công nghiệp; Nhật Bản áp dụng quy định hệ thống cấp nước kép trong các tòa nhà cao tầng và trường học với 40% nước tái sử dụng dùng cho dội toilet và tưới cây; Trung Quốc vận hành hệ thống mở rộng công suất 900.000 m³/ngđ tại Thái Nguyên (Taiyuan), bổ cập 500.000 m³/ngđ cho hồ Fen River; Thái Lan ứng dụng chuỗi màng MF-NF-RO kết hợp trao đổi ion trong nhà máy đường công suất 22.000 tấn/ngày.

  3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu lọc ODM-2F: Vật liệu lọc đa năng ODM-2F có nguồn gốc từ Nga, được đưa vào ứng dụng từ năm 1998 tại Nga, Ukraina, Uzbekistan (các thành phố Matxcova, Perm, Yekaterinburg, Irkutsk, Omsk) trong xử lý nước cấp và nước thải. Tại Việt Nam, vật liệu này được đưa vào sử dụng từ năm 2002, chủ yếu xử lý nước ngầm và nước cấp sinh hoạt tại các công trình: Diamond Plaza, Nhà máy sữa Dutch Lady Bình Dương, KCN Tây Bắc - Củ Chi, các trạm xử lý nước ngầm khu vực Tây Nguyên (Đắk Lắk, Đắk Nông, Kon Tum, Lâm Đồng) và pilot suối Tà Vải (Hà Giang).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù vật liệu lọc ODM-2F đã chứng minh hiệu quả trong xử lý nước cấp, nhưng tại Việt Nam chưa có công trình nào nghiên cứu ứng dụng vật liệu này trong công đoạn xử lý nâng cao nước thải sau xử lý bậc 2. Các nghiên cứu trước đây chưa xác định được động học lưu giữ cặn lơ lửng, sự gia tăng tổn thất áp lực thủy lực theo thời gian và chiều sâu lớp lọc hạt ODM-2F, cũng như thiếu phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho bể lọc ODM-2F trong hệ thống cấp nước tái sử dụng đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Khái niệm xử lý nâng cao nước thải: Tác giả định nghĩa xử lý nâng cao là công đoạn kết hợp công nghệ sau xử lý bậc 2 nhằm mục đích loại bỏ các thành phần ô nhiễm còn lại (chất hữu cơ khó phân hủy, chất dinh dưỡng N, P và cặn lơ lửng SS) để đạt chất lượng nước tái sử dụng cho các mục đích cụ thể trong đô thị.
  • Lý thuyết khử chất bẩn hữu cơ và dinh dưỡng: Vận dụng cơ chế sinh học dính bám của màng biofilm trên giá thể chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor - MBBR) trong điều kiện thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic) để khử nitrat hóa, nitrat hóa và phân hủy chất hữu cơ dư thừa; kết hợp cơ chế tích lũy photpho sinh học của vi sinh vật PAO.
  • Lý thuyết lọc qua lớp vật liệu dạng hạt ODM-2F: Quá trình giữ cặn trong tầng lọc hạt đa năng ODM-2F tuân theo cơ chế va chạm quán tính, lắng trọng lực, khuếch tán Brown và hấp phụ cơ học. Động học lọc cặn lơ lửng và sự phát triển tổn thất áp lực thủy lực được mô hình hóa qua phương trình quan hệ giữa nồng độ cặn $C$, tổn thất áp lực $h$, thời gian lọc $t$ và chiều sâu tầng lọc $x$:

$$\frac{\partial C}{\partial x} = - \lambda C$$

Trong đó $\lambda$ là hệ số dính bám của tầng lọc. Tác giả sử dụng dạng hàm lý thuyết xác định chu kỳ lọc:

$$T = \frac{H_{gh} - H_0}{H_0} \cdot \frac{b}{F(A)} \cdot x^a$$

Trong đó: $H_{gh}$ là tổn thất áp lực giới hạn; $H_0$ là tổn thất ban đầu; $x$ là chiều dày lớp vật liệu; $F(A)$ là hàm phụ thuộc tính chất chất lơ lửng; $a, b$ là các hệ số thực nghiệm lọc.

  • Cơ sở lý thuyết đồng dạng: Áp dụng nguyên lý đồng dạng hình học và đồng dạng thủy động lực học giữa mô hình thí nghiệm pilot và nguyên mẫu công trình thực tế nhằm bảo đảm tính tương thích của vận tốc lọc và sự phân bố cặn theo không gian lớp hạt.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp điều tra, khảo sát: Thu thập số liệu thiết kế, vận hành của các trạm xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam và khảo sát thực tế tại Trạm xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng, Hà Nội.
  • Phương pháp mô hình hóa và thực nghiệm pilot: Chế tạo cột lọc pilot bằng vật liệu nhựa trong suốt, bên trong chứa lớp vật liệu lọc ODM-2F với chiều dày thiết kế. Nguồn nước cấp thí nghiệm lấy trực tiếp từ nước thải sau bể lắng thứ cấp của Trạm xử lý nước thải tập trung Kim Liên, Hà Nội. Thí nghiệm được vận hành ở 3 chế độ vận tốc lọc khác nhau: $v = 5\text{ m/h}$, $v = 7{,}5\text{ m/h}$, và $v = 10\text{ m/h}$.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm bậc 1 hai mức tối ưu để lập kế hoạch lấy mẫu, bố trí điểm đo áp lực dọc theo chiều cao cột lọc và đo nồng độ cặn SS tại các thời điểm vận hành nhằm xác định các hệ số $a, b$ và các giá trị rửa lọc.
  • Phương pháp phân tích mẫu nước: Sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) và tiêu chuẩn quốc tế (ISO) để xác định nồng độ BOD5, COD, SS, tổng Nitơ, tổng Photpho, Coliform tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.
  • Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo chuyên môn tại Bộ môn Cấp thoát nước, Khoa Kỹ thuật Hạ tầng và Môi trường đô thị, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội để tiếp thu ý kiến hoàn thiện dây chuyền công nghệ.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu khảo sát hiện trạng thu thập từ báo cáo quản lý của Bộ Xây dựng, các dự án ODA (JICA, WB, DANIDA) tại 29 đô thị Việt Nam; quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 14:2008/BTNMT (nước thải sinh hoạt) và QCVN 01:2008/BTNMT; số liệu đo đạc thực nghiệm pilot hiện trường tại trạm Kim Liên (2016 – 2020) và tài liệu thiết kế trạm xử lý nước thải Đan Phượng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Tổng quan về xử lý nâng cao, giải pháp tái sử dụng nước thải tái sinh và tình hình nghiên cứu liên quan

Chương 1 cung cấp bức tranh toàn cảnh về thực trạng thu gom, xử lý nước thải tại các đô thị Việt Nam và kinh nghiệm tái sử dụng nước thải trên thế giới:

  • Thực trạng xử lý nước thải đô thị: Tác giả lập bảng thống kê chi tiết 29 trạm xử lý nước thải tập trung đang vận hành tại Việt Nam (Bảng 1.1). Số liệu cho thấy tỷ lệ xử lý thực tế rất thấp (khoảng 9,5% lượng nước thải phát sinh). Hầu hết các đô thị loại vừa và nhỏ chưa có hệ thống thu gom và trạm xử lý tập trung.
Nhóm công nghệ chính tại Việt Nam Các trạm xử lý điển hình (năm vận hành) Công suất thiết kế / thực tế (m³/ngđ) Xử lý bùn thải
Bùn hoạt tính (AAO/AO/CAS) Kim Liên (2005), Trúc Bạch (2005), Bình Hưng (2009), Huế (2020) 3.700 / 3.700; 2.500 / 2.500; 141.000 / 141.000; 30.000 / 20.000 Làm khô cơ học, chôn lấp
Bể phản ứng theo mẻ (SBR/ASBR) Yên Sở (2012), Hồ Tây (2014), Hòa Xuân (2015), Thủ Dầu Một (2013) 200.000 / 120.000; 22.800 / 15.800; 60.000 / 20.000; 17.650 / 6.000 Phân hủy kỵ khí, làm khô cơ học, chôn lấp
Mương oxy hóa (OD) Canh Dơi (2007), Bắc Giang (2012), Nam Nha Trang (2015) 10.000 / 10.000; 10.000 / 8.000; 40.000 / 20.000 Làm khô cơ học, phơi khô
Hồ sinh học / Hồ kỵ khí Bình Hưng Hòa (2009), Sơn Trà (2006), Buôn Ma Thuột (2006) 30.000 / 30.000; 15.900 / 15.900; 6.125 / 3.700 Hồ ổn định, phơi bùn, compost
  • Mức độ và mục đích xử lý nâng cao: Phân định 6 cấp độ xử lý: sơ bộ, bậc I, bậc I tăng cường, bậc II, bậc III và bậc cao (Bảng 1.2a). Nước sau xử lý bậc II đạt QCVN 14:2008/BTNMT cột A hoặc B cần tiếp tục qua bậc III và bậc cao để loại bỏ cặn lơ lửng, chất hữu cơ hòa tan khó phân hủy và vi sinh vật trước khi tái sử dụng cho các mục đích: tưới cây xanh, rửa đường, chữa cháy, cấp nước công nghiệp và bổ cập nguồn nước.
  • Đặc tính các công trình lọc: Khảo sát các thông số kỹ thuật của công trình lọc một lớp hạt, nhiều lớp hạt (than đá, cát thạch anh) và công trình lọc hạt nổi (hạt polystyrene FPZ-1 đến FPZ-5). Tác giả so sánh và nhấn mạnh các thông số công nghệ của vật liệu lọc đa năng ODM-2F: chiều cao lớp lọc 900 – 2100 mm (điển hình 1500 mm), kích thước hạt hiệu dụng 0,8 – 2,0 mm, tốc độ lọc đạt 4,8 – 24 m/h.
  • Công nghệ MBBR: Phân tích thông số thiết kế MBBR (thời gian lưu hiếu khí 3,5 – 4,5 h, thiếu khí 1,0 – 1,2 h, diện tích bề mặt màng sinh học $200 - 250\text{ m}^2/\text{m}^3$, tải trọng BOD $1{,}0 - 1{,}4\text{ kg/m}^3\cdot\text{ngđ}$).
  • Sơ đồ tổng thể: Đề xuất sơ đồ công nghệ tổng thể xử lý nâng cao tích hợp: nước thải sau xử lý bậc II -> xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng bằng MBBR -> lắng đợt 3 -> khử SS bằng bể lọc ODM-2F -> khử trùng -> tái sử dụng cho đô thị.

CHƯƠNG 2. Cơ sở khoa học về xử lý và lựa chọn công nghệ xử lý nâng cao nước thải để tái sử dụng cho mục đích không ăn uống trong đô thị

Chương 2 thiết lập nền tảng lý thuyết và cơ sở khoa học để lựa chọn công nghệ:

  • Đặc tính nước thải và tiêu chuẩn tái sử dụng: Tổng hợp nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sau xử lý bậc 2 (BOD5: 15 – 30 mg/l; SS: 20 – 50 mg/l; COD: 40 – 80 mg/l; N-NH4: 5 – 15 mg/l; Coliform: 1.000 – 10.000 MPN/100ml). Đồng thời, xác lập tiêu chuẩn chất lượng nước phục vụ chữa cháy, tưới cây, rửa đường theo QCVN 01:2008/BTNMT yêu cầu hàm lượng SS ≤ 5 mg/l, Coliform không phát hiện hoặc đạt ngưỡng an toàn sinh học.
  • Cơ chế phân hủy sinh học và lọc cơ học: Phân tích cơ chế xử lý sinh học kết hợp khử chất dinh dưỡng (các quy trình Bardenpho sửa đổi, AAO, UCT, PhoStrip II, MBBR, AO-MBR). Phân tích đặc tính kỹ thuật của vật liệu ODM-2F (thành phần diatomite thủy nhiệt hoạt hóa, có cấu trúc xốp rỗng, dung trọng nhẹ, diện tích bề mặt riêng lớn, tích hợp tính năng hấp phụ và lọc cặn).
  • Lý thuyết lọc hạt và tổn thất áp lực: Trình bày lý thuyết phân bố cặn theo chiều sâu lớp lọc hạt $x$ và đồ thị tương quan giữa nồng độ cặn lơ lửng $C$ với tổn thất thủy lực $h$ theo thời gian lọc hiệu quả. Phân tích hàm phụ thuộc $F(A)$ và phương pháp xác định các hệ số $X_0, K$ dùng trong tính toán thủy lực bể lọc hạt.
  • Tiêu chí lựa chọn công nghệ: Luận án xây dựng bảng hệ thống tiêu chí đánh giá tính bền vững gồm 4 nhóm tiêu chí chính: kỹ thuật công nghệ, kinh tế tài chính, môi trường và xã hội quản lý; phân bổ trọng số điểm tối đa để làm cơ sở định lượng lựa chọn dây chuyền công nghệ.
  • Lý thuyết đồng dạng và giả thuyết nghiên cứu: Xác lập mối quan hệ hình học, vận tốc và tỷ lệ đồng dạng giữa mô hình cột lọc pilot tại trạm Kim Liên và công trình lọc kích thước thực tế; đưa ra giả thuyết khoa học về sự tương quan phi tuyến giữa chiều dày lớp vật liệu ODM-2F, vận tốc lọc và hiệu quả loại bỏ SS.

CHƯƠNG 3. Lựa chọn công nghệ xử lý nâng cao nước thải và nghiên cứu thực nghiệm lọc ODM-2F

Chương 3 trình bày quy trình lựa chọn công nghệ và kết quả vận hành mô hình thực nghiệm:

  • Lựa chọn dây chuyền công nghệ: Dựa trên bảng chấm điểm theo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (Bảng 3.1), tác giả chọn dây chuyền công nghệ xử lý nâng cao gồm: Bể lọc sinh học màng dính bám MBBR (khử BOD dư và nitrat hóa) -> Bể lắng đợt 3 -> Bể lọc hạt đa năng ODM-2F (khử cặn lơ lửng SS) -> Khử trùng bằng Ozon -> Bể chứa nước tái sinh.
  • Thiết kế mô hình pilot: Mô hình cột lọc ODM-2F được chế tạo bằng ống nhựa trong suốt đường kính d = 100 mm, chiều cao tổng thể H = 3.500 mm; chiều dày lớp vật liệu ODM-2F là 1.200 mm; lớp sỏi đỡ dày 200 mm; bố trí các vòi lấy mẫu và ống đo áp lực dọc theo chiều cao thân cột ở các khoảng cách 100 mm, 200 mm, 400 mm, 600 mm, 800 mm, 1.000 mm và 1.200 mm.
  • Quy hoạch thực nghiệm: Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu nước thải sau lắng 2 của Trạm XLNTTT Kim Liên. Thực hiện theo kế hoạch bậc 1 hai mức tối ưu với 3 dải vận tốc lọc: 5 m/h, 7,5 m/h và 10 m/h.
Vận tốc lọc ($v$) Hàm lượng SS đầu vào ($SS_0$) Hàm lượng SS đầu ra ($SS$) Chu kỳ lọc làm việc ($T$) Tổn thất áp lực cuối chu kỳ ($h$)
$v = 5{,}0\text{ m/h}$ 18,5 – 24,6 mg/l 1,8 – 2,5 mg/l 28 – 32 giờ 1,85 – 2,10 m
$v = 7{,}5\text{ m/h}$ 19,2 – 25,0 mg/l 2,4 – 3,2 mg/l 20 – 24 giờ 2,15 – 2,35 m
$v = 10{,}0\text{ m/h}$ 18,8 – 26,2 mg/l 3,5 – 4,8 mg/l 14 – 16 giờ 2,40 – 2,65 m
  • Kết quả và xử lý số liệu thực nghiệm:
    • Quan hệ tỷ lệ $SS/SS_0$ theo chiều dày lớp lọc $x$ và thời gian $t$: Tại chiều sâu lớp lọc $x \ge 800\text{ mm}$, tỷ lệ $SS/SS_0$ giảm mạnh xuống dưới 0,15 – 0,20 ở mọi cấp vận tốc. Nước sau lọc đạt hàm lượng SS < 5 mg/l, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn tái sử dụng cấp nước đô thị.
    • Động học tổn thất áp lực: Đồ thị quan hệ giữa tổn thất áp lực $h$ và thời gian $t$ cho thấy tốc độ tăng áp lực ban đầu diễn ra chậm, sau đó tăng nhanh ở giai đoạn cuối chu kỳ lọc khi các khe rỗng lớp mặt bị lấp đầy cặn bẩn.
    • Thông số rửa lọc: Xác định chế độ rửa lọc tối ưu cho lớp vật liệu ODM-2F: cường độ gió rửa $w_{gio} = 15 - 18\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$; cường độ nước rửa $w_{nuoc} = 10 - 12\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$; thời gian rửa gió 2 – 3 phút; thời gian rửa nước kết hợp gió 4 – 5 phút; độ giãn nở lớp hạt lọc đạt 30% – 35%.

CHƯƠNG 4. Xây dựng phương pháp tính toán công trình lọc ODM-2F và ứng dụng

Chương 4 hoàn thiện thuật toán thiết kế và ứng dụng vào công trình thực tế:

  • Xây dựng phương pháp tính toán công trình lọc ODM-2F: Luận án chuẩn hóa quy trình tính toán thiết kế thành 5 bước tuần tự:

    1. Bước 1: Xác định nhu cầu dùng nước tái sử dụng trong đô thị ($Q_{tsd}$): Thiết lập công thức tính toán lưu lượng cấp nước tái sử dụng cho dịch vụ công cộng và sinh hoạt không ăn uống:

      • Đối với đô thị loại III trở lên: $Q_{cnđt(III,tsd)} = 0,6125 \cdot q_0 \cdot N$ (m³/ngđ)
      • Đối với đô thị loại IV và V: $Q_{cnđt(IV,tsd)} = 0,54 \cdot q_0 \cdot N$ (m³/ngđ) (Trong đó: $q_0$ là tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt, l/người.ngđ; $N$ là quy mô dân số đô thị).

    2. Bước 2: Xác định chu kỳ lọc và chiều dày lớp lọc: Sử dụng biểu đồ tương quan thời gian và chiều dày lớp vật liệu lọc để chọn chu kỳ lọc $T$ kinh tế (thường chọn $T = 24\text{ h}$ với $v = 7{,}5\text{ m/h}$). Xác định chiều dày lớp lọc $x$ theo công thức lý thuyết:

      $$T = \frac{H_{gh} - H_0}{H_0} \cdot \frac{b}{F(A)} \cdot x^a$$

      với các thông số $a, b$ và $F(A)$ được trích xuất từ kết quả thực nghiệm chương 3.

    3. Bước 3: Xác định diện tích lọc: Tính toán tổng diện tích bề mặt lọc $F$ dựa trên công suất trạm $Q_{tsd}$, vận tốc lọc tính toán $v$ và số chu kỳ rửa lọc trong ngày.

    4. Bước 4: Xác định số bể lọc và kiểm tra vận tốc lọc tăng cường: Tính số đơn nguyên bể lọc $N_b \ge 2$; kiểm tra vận tốc tăng cường $v_{tc}$ khi một bể dừng lại để rửa lọc bảo đảm không vượt quá giới hạn cho phép ($v_{tc} \le 1{,}2 - 1{,}3 \cdot v$).

    5. Bước 5: Tính toán hệ thống phân phối nước lọc và rửa lọc: Tính toán hệ thống chụp lọc, dàn phân phối khí nén và nước rửa lọc, máng thu nước rửa lọc và bể chứa nước sạch phục vụ súc rửa.

  • Ứng dụng tính toán thiết kế tại khu đô thị huyện Đan Phượng, TP Hà Nội:

    • Áp dụng dây chuyền công nghệ cho Trạm xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng với công suất trạm xử lý nâng cao $Q = 150\text{ m}^3/\text{ngđ}$.
    • Nước thải đầu vào có nồng độ chất bẩn sau xử lý bậc 2: BOD5 = 20 mg/l, COD = 45 mg/l, SS = 25 mg/l, N-NH4 = 8 mg/l. Nước đầu ra sau xử lý nâng cao đạt: BOD5 < 5 mg/l, SS < 3 mg/l, Coliform không phát hiện.
    • Tính toán kích thước các công trình đơn công nghệ:
      • Bể lọc màng sinh học MBBR: Thể tích hữu ích $W_{MBBR} = 25\text{ m}^3$, sử dụng giá thể hạt nhựa chuyển động PE, thời gian lưu nước $t = 4\text{ h}$.
      • Bể lắng đợt 3: Bể lắng đứng đường kính $D = 2{,}2\text{ m}$, chiều cao vùng lắng $H_l = 2{,}5\text{ m}$.
      • Bể lọc hạt ODM-2F: Gồm 2 đơn nguyên bể lọc áp lực; đường kính mỗi bể $D = 1{,}0\text{ m}$, diện tích mỗi bể $f = 0{,}785\text{ m}^2$; chiều dày lớp ODM-2F là $1{,}2\text{ m}$; vận tốc lọc làm việc $v = 8\text{ m/h}$.
      • Thiết bị khử trùng Ozon: Buồng tiếp xúc ozon thể tích $W = 3\text{ m}^3$, nồng độ sục ozon 3 – 5 mg/l, thời gian tiếp xúc 15 phút.

  • Đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường: Khái toán chi phí xây dựng theo Quyết định số 451/QĐ-BXD ngày 21/04/2015 của Bộ Xây dựng. Kết quả chỉ ra việc tái sử dụng nước thải cho chữa cháy, rửa đường, tưới cây giúp khu đô thị tiết kiệm chi phí mua nước sạch từ hệ thống cấp nước đô thị tập trung, giảm lưu lượng xả thải ra môi trường, giảm chi phí trả phí bảo vệ môi trường đối với nước thải sinh hoạt.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã xác lập được cơ sở khoa học và bộ thông số thực nghiệm mô tả quá trình lọc loại bỏ cặn lơ lửng (SS) của vật liệu lọc đa năng ODM-2F trong công đoạn xử lý nâng cao nước thải sinh hoạt đô thị.
  2. Xác định các hệ số thực nghiệm lọc $a$ và $b$, cùng hàm phụ thuộc $F(A)$ trong mô hình toán học tính toán tổn thất áp lực thủy lực và chu kỳ lọc qua tầng hạt ODM-2F ở các dải vận tốc lọc $v = 5\text{ m/h}$, $7{,}5\text{ m/h}$ và $10\text{ m/h}$.
  3. Chứng minh khả năng ứng dụng lý thuyết đồng dạng hình học và thủy lực để ngoại suy các kết quả nghiên cứu pilot sang tính toán thiết kế công trình quy mô thực tế đối với bể lọc ODM-2F.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kỹ thuật

  1. Đề xuất quy trình công nghệ xử lý nâng cao tích hợp gồm bể phản ứng sinh học màng dính bám MBBR, bể lắng và bể lọc hạt ODM-2F kết hợp khử trùng Ozon, phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng kỹ thuật tại các đô thị Việt Nam.
  2. Xây dựng và hoàn thiện phương pháp tính toán thiết kế công trình lọc ODM-2F theo quy trình 5 bước logic, cung cấp các công thức tính toán lượng nước tái sử dụng cụ thể cho từng loại đô thị ($Q_{cnđt(III,tsd)}$ và $Q_{cnđt(IV,tsd)}$).
  3. Đã ứng dụng thành công phương pháp tính toán để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống xử lý nâng cao nước thải công suất $150\text{ m}^3/\text{ngđ}$ cho khu đô thị huyện Đan Phượng, thành phố Hà Nội, làm cơ sở kỹ thuật có thể áp dụng cho các khu đô thị mới.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất các cơ quan quản lý đô thị ban hành hướng dẫn kỹ thuật và khung pháp lý riêng cho việc thu gom, xử lý nâng cao và tái sử dụng nước thải đô thị cho các mục đích công cộng.
  • Kiến nghị các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung xem xét cải tạo, bổ sung modul lọc ODM-2F sau công đoạn xử lý bậc 2 để khai thác nguồn nước tái sinh tại chỗ phục vụ rửa xe, tưới cây, vệ sinh trạm và cấp nước chữa cháy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Mô hình thí nghiệm pilot lọc ODM-2F mới được thực hiện với nguồn nước thải sinh hoạt sau lắng 2 của Trạm xử lý nước thải tập trung Kim Liên (Hà Nội) trong khung thời gian 2016 – 2020. Tính chất nước thải mang đặc trưng của nước thải sinh hoạt đô thị cũ có hệ thống cống chung, chưa phản ánh hết tính chất nước thải của các đô thị mới dùng hệ thống cống riêng hoặc nước thải có chứa thành phần sản xuất làng nghề.
  • Luận án tập trung chuyên sâu vào chỉ tiêu cặn lơ lửng (SS) và các thông số ô nhiễm thông thường (BOD, COD, N, P), chưa khảo sát sâu mức độ loại bỏ các hợp chất vi lượng, kim loại nặng, hoạt chất nội tiết hoặc dư lượng dược phẩm trong nước thải.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu khả năng xử lý nâng cao của công trình lọc ODM-2F đối với các nguồn nước thải có độ muối cao, nước thải vùng ven biển hoặc nước thải đô thị có pha trộn nước thải công nghiệp.
  • Nghiên cứu chu kỳ suy giảm hoạt tính hấp phụ của vật liệu ODM-2F theo thời gian vận hành nhiều năm, xác định phương pháp hoàn nguyên hoặc tái sinh hạt lọc sau thời gian dài sử dụng công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng giá trị nghiên cứu

  • Học viên, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành: Cung cấp tư liệu học thuật, số liệu thực nghiệm và phương pháp tính toán thủy lực bể lọc hạt ODM-2F cho các chuyên ngành Kỹ thuật Hạ tầng đô thị, Cấp thoát nước và Kỹ thuật Môi trường.
  • Kỹ sư thiết kế và các công ty tư vấn cấp thoát nước: Có thể ứng dụng trực tiếp quy trình tính toán 5 bước, bộ thông số vận tốc lọc ($v = 5 - 10\text{ m/h}$), thông số rửa lọc và công thức xác định lưu lượng cấp nước tái sử dụng để lập hồ sơ thiết kế cơ sở và thiết kế bản vẽ thi công các trạm xử lý nước tái sinh đô thị.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền đô thị: Cung cấp cơ sở khoa học để hoạch định quy hoạch hạ tầng cấp thoát nước kép trong đô thị loại II đến loại V, hướng tới thực hiện mục tiêu tái sử dụng 20% – 30% nước thải đô thị theo các chiến lược bảo vệ môi trường quốc gia.

Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất

  • Chương 3 (mục 3.4): Các bảng số liệu trung bình thực nghiệm pilot về hiệu suất khử SS, tổn thất áp lực và các thông số cường độ gió - nước rửa lọc của lớp vật liệu ODM-2F.
  • Chương 4 (mục 4.1 và 4.2): Hệ thống công thức tính toán lưu lượng cấp nước tái sử dụng đô thị và quy trình tính toán thiết kế 5 bước chuẩn hóa cho bể lọc ODM-2F.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn vật liệu lọc đa năng ODM-2F thay vì sử dụng cát thạch anh truyền thống?

Theo công bố của nhà sản xuất và tổng quan của luận án (Chương 1 và Chương 2), vật liệu lọc đa năng ODM-2F có cấu trúc xốp rỗng từ diatomite thủy nhiệt hoạt hóa, có khả năng đồng thời đóng vai trò của cát thạch anh, hạt xúc tác và than hoạt tính. ODM-2F vừa có khả năng giữ cặn cơ học vừa có tính năng hấp phụ bề mặt, cho phép vận hành ở vận tốc lọc cao (từ 5 đến 10 m/h) với chiều cao tầng lọc hợp lý (1.200 mm), cho chất lượng nước sau lọc đạt hàm lượng SS < 5 mg/l và chu kỳ lọc dài hơn so với bể lọc cát thông thường có cùng chiều dày lớp hạt.

2. Công thức xác định nhu cầu dùng nước tái sử dụng trong đô thị được luận án xác lập như thế nào?

Dựa trên phân tích cơ cấu sử dụng nước phi sinh hoạt trong đô thị (Mục 4.1 Chương 4), tác giả xây dựng công thức tính lưu lượng cấp nước tái sử dụng $Q_{tsd}$ phụ thuộc vào tiêu chuẩn dùng nước sinh hoạt $q_0$ và quy mô dân số đô thị $N$:

  • Đối với đô thị loại III trở lên: $Q_{cnđt(III,tsd)} = 0,6125 \cdot q_0 \cdot N$ (m³/ngđ)
  • Đối với đô thị loại IV và V: $Q_{cnđt(IV,tsd)} = 0,54 \cdot q_0 \cdot N$ (m³/ngđ)

3. Mô hình thực nghiệm pilot cột lọc ODM-2F được vận hành ở đâu và khảo sát các chế độ vận tốc nào?

Mô hình pilot cột lọc ODM-2F (đường kính trong 100 mm, chiều cao cột 3.500 mm, lớp ODM-2F dày 1.200 mm) được đặt trực tiếp tại Trạm xử lý nước thải tập trung Kim Liên, thành phố Hà Nội. Nước thí nghiệm lấy sau bể lắng đợt 2 của trạm. Thí nghiệm khảo sát 3 chế độ vận tốc lọc gồm: $v = 5{,}0\text{ m/h}$, $v = 7{,}5\text{ m/h}$, và $v = 10{,}0\text{ m/h}$.

4. Chế độ rửa lọc tối ưu cho bể lọc ODM-2F được thực nghiệm xác định như thế nào?

Kết quả thực nghiệm tại Chương 3 xác lập chế độ rửa lọc ngược kết hợp gió và nước:

  • Cường độ rửa bằng không khí: $w_{gio} = 15 - 18\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$, thời gian thổi khí 2 – 3 phút.
  • Cường độ rửa bằng nước: $w_{nuoc} = 10 - 12\text{ l/s}\cdot\text{m}^2$, thời gian rửa nước kết hợp khí 4 – 5 phút.
  • Độ giãn nở của lớp vật liệu lọc ODM-2F khi rửa: đạt 30% đến 35%.

5. Dây chuyền công nghệ xử lý nâng cao được đề xuất áp dụng cho khu đô thị huyện Đan Phượng gồm các hạng mục công trình nào?

Dây chuyền công nghệ xử lý nâng cao nước thải công suất 150 m³/ngđ tại khu đô thị huyện Đan Phượng (Chương 4) tiếp nhận nước thải sau xử lý bậc 2 và dẫn qua chuỗi công trình:

  1. Bể phản ứng lọc sinh học màng dính bám MBBR (dung tích $25\text{ m}^3$, lưu nước 4 giờ để khử BOD dư và nitrat hóa).
  2. Bể lắng đợt 3 (dạng bể lắng đứng đường kính $2{,}2\text{ m}$ để tách bông bùn vi sinh trôi ra từ MBBR).
  3. Bể lọc áp lực hạt đa năng ODM-2F (gồm 2 bể đường kính $1{,}0\text{ m}$, lớp hạt dày $1{,}2\text{ m}$, vận tốc lọc $8\text{ m/h}$ để loại bỏ cặn lơ lửng SS xuống dưới 3 mg/l).
  4. Buồng khử trùng bằng Ozon (dung tích $3\text{ m}^3$, nồng độ ozon 3 – 5 mg/l, thời gian tiếp xúc 15 phút) trước khi dẫn vào bể chứa nước sạch phục vụ tưới cây, rửa đường và chữa cháy.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hoàng Huệ Quân đã giải quyết yêu cầu kỹ thuật về việc xử lý nâng cao nước thải sinh hoạt sau bậc 2 để tái sử dụng cho các mục đích không dùng cho ăn uống trong đô thị. Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm pilot tại Trạm xử lý nước thải Kim Liên kết hợp cơ sở lý thuyết lọc hạt và nguyên lý đồng dạng, tác giả đã chứng minh hiệu quả loại bỏ cặn lơ lửng SS của vật liệu ODM-2F và xác lập được bộ thông số động học thủy lực đáng tin cậy. Đóng góp nổi bật của công trình là quy trình tính toán thiết kế 5 bước hoàn chỉnh cho bể lọc ODM-2F cùng công thức định lượng nhu cầu tái sử dụng nước theo quy mô đô thị, đã được kiểm chứng qua thiết kế thực tế tại khu đô thị huyện Đan Phượng, Hà Nội. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học và tư vấn thiết kế hạ tầng kỹ thuật cấp thoát nước đô thị theo định hướng phát triển bền vững.