Tổng quan luận án

Tính cấp thiết của luận án xuất phát từ thực trạng gia tăng dân số, sự phát triển nhanh của các đô thị, trung tâm công nghiệp và cơ sở y tế tại Việt Nam, tạo ra lượng nước thải lớn phần lớn chưa được xử lý đảm bảo quy chuẩn xả thải, gây quá tải cho các nguồn tiếp nhận. Đến năm 2020, cả nước có khoảng 63 trạm xử lý nước thải tập trung với công suất thiết kế khoảng 1.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$, vận hành thực tế mới đáp ứng xử lý khoảng 15% lượng nước thải sinh hoạt. Theo định hướng phát triển hạ tầng đến năm 2025, mục tiêu đặt ra là thu gom và xử lý đạt quy chuẩn 50% tổng lượng nước thải đô thị loại II trở lên, 20% đối với đô thị loại V trở lên, mở rộng độ bao phủ dịch vụ thoát nước đạt trên 80% diện tích, đồng thời tái sử dụng 20 - 30% nước thải sau xử lý cho các mục đích tưới cây, rửa đường và các nhu cầu dịch vụ đô thị.

Nước thải sau xử lý bậc hai có khối lượng lớn, có thể tái sử dụng cho các mục đích không đòi hỏi chất lượng nước uống như dịch vụ công cộng (chữa cháy, tưới cây, rửa đường, cảnh quan), sinh hoạt (dội rửa vệ sinh, rửa sân vườn), thương mại và xây dựng. Khối lượng nước có tiềm năng tái sử dụng tại các đô thị loại III trở lên ước tính đạt khoảng 56% tổng lượng nước thải sinh hoạt (tương đương 41,7% lượng nước cấp sinh hoạt); tại các đô thị loại IV trở xuống đạt tương ứng khoảng 52,5% và 38,9%. Tuy nhiên, để tái sử dụng mà không gây hoen ố thiết bị, không tắc nghẽn mạng lưới phân phối, không phát sinh mùi và bảo đảm an toàn sinh học theo QCVN 01:2008/BTNMT, nước thải cần được xử lý nâng cao nhằm loại bỏ triệt để cặn lơ lửng và các chất ô nhiễm còn lại. Vật liệu lọc đa năng ODM-2F dù đã được sử dụng phổ biến trong xử lý nước cấp tại Việt Nam từ năm 2002 và xử lý nước thải tại nước ngoài từ năm 1998, nhưng chưa có các nghiên cứu bài bản về ứng dụng trong xử lý nâng cao nước thải đô thị tại Việt Nam. Do đó, 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" được thực hiện.

Mục đích nghiên cứu của luận án 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 lựa chọn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Công trình lọc sử dụng vật liệu ODM-2F trong công đoạn xử lý nâng cao nước thải sinh hoạt đô thị.
  • Phạm vi khoa học: Nghiên cứu công trình lọc ODM-2F tập trung vào chỉ tiêu loại bỏ chất rắn lơ lửng (SS) phục vụ mục đích tái sử dụng cấp nước chữa cháy, tưới cây, rửa đường đô thị; nghiên cứu lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý nâng cao kết hợp (MBBR khử hữu cơ, dinh dưỡng và ODM-2F khử cặn); thực nghiệm xây dựng phương pháp tính toán thiết kế.
  • Phạm vi không gian: Nước thải tại các khu vực đô thị Việt Nam, nghiên cứu điển hình tại nhà máy xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng, thành phố Hà Nội.
  • Phạm vi thời gian: Thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trong giai đoạn 2016 - 2020; dữ liệu tính toán và định hướng theo quy hoạch phát triển đô thị Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn 2050.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp các nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn về xử lý và tái sử dụng nước thải trên thế giới và tại Việt Nam:

Kinh nghiệm và nghiên cứu quốc tế:

  • Khu vực Địa Trung Hải: Israel sử dụng nước thải sau xử lý lưu trữ qua hệ thống 200 hồ chứa (dung tích 150 triệu $\text{m}^3$) và dự án Dan Region bổ cập tầng ngầm để tưới tiêu nông nghiệp; Tunisia thu gom và xử lý khoảng 65% nước thải để tái nạp nước ngầm, tưới rừng, tưới cao tốc và cảnh quan.
  • Khu vực Châu Âu: Bỉ vận hành trạm xử lý nước thải Wilpen (công suất 2,5 triệu $\text{m}^3\text{/năm}$) ứng dụng màng MF-RO để tái sử dụng; Pháp triển khai tái sử dụng nước thải tưới tiêu từ sớm trên diện tích hơn 3.000 ha và dự án Aubergencilla bổ cập gián tiếp nguồn nước; Ý tái sử dụng khoảng 60% nước thải đô thị với các mô hình lịch sử như hệ thống "Marcite" trên sông Vettabia; Vương quốc Anh triển khai dự án Waterwise tái sử dụng nước xám và nước sau xử lý nâng cao cho các hộ gia đình.
  • Khu vực Châu Mỹ: Tại Hoa Kỳ, bang California và Florida tái sử dụng khối lượng lớn nước thải cho công nghiệp, tưới tiêu và bổ cập nguồn nước (nhà máy xử lý 378.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ tại Quận Cam; Tallahassee xử lý đạt BOD và SS dưới 30 mg/l để tưới nông nghiệp); Mexico dẫn nước thải sau xử lý sơ bộ tăng cường tưới cho 85.000 ha thung lũng Mezquital và tái sử dụng 16% nước thải cho tháp làm mát tại Monterrey; Brazil tái sử dụng nước cho giải nhiệt công nghiệp luyện kim, dội xí và xây dựng.
  • Khu vực Châu Á: Singapore triển khai hệ thống NEWater với 2 nhà máy tổng công suất 72.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ sử dụng vi lọc (MF), thẩm thấu ngược (RO) và khử trùng UV để cấp nước gián tiếp cho sinh hoạt và 90.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ nước lọc cát phục vụ công nghiệp; Nhật Bản áp dụng hệ thống cấp nước kép trong các tòa nhà cao tầng và trường học với lượng nước tái sử dụng đạt 130 triệu $\text{m}^3$ (năm 1998); Trung Quốc tái sử dụng 500.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ từ 7 nhà máy tại Thái Nguyên (Taiyuan) qua hồ Fen River để bổ cập nước ngầm; Thái Lan áp dụng chuỗi MF-NF-RO tái sử dụng nước cho nhà máy sản xuất đường 22.000 tấn/ngày.
Quốc gia Năm thống kê Tổng lượng nước sử dụng (Triệu $\text{m}^3$) Năm tái sử dụng Tổng lượng nước tái sử dụng (Triệu $\text{m}^3$) Tỷ lệ tái sử dụng (%)
Bahrain 1991 239 1991 15 6%
Cyprus 1992 211 1997 23 11%
Ai Cập 1995 55.100 2000 700 1%
Israel 1995 2.000 1995 200 10%
Jordan 1993 984 1997 58 5%
Kuwait 1994 528 1997 80 15%
Saudi Arabia 1992 17.018 2000 217 1%
Syria 1993 14.410 2000 370 3%
Tunisia 1990 3.075 1998 28 1%

Tình hình nghiên cứu và thực tế tại Việt Nam:

  • Khảo sát thực trạng 29 trạm xử lý nước thải đô thị vận hành với tổng công suất thiết kế 769.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ và công suất thực tế 558.630 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ (chiếm khoảng 9,5% - 12% lượng nước thải sinh hoạt đô thị). Các công nghệ xử lý nước chủ yếu gồm bùn hoạt tính truyền thống (CAS), AAO, AO, SBR, mương oxy hóa và hồ sinh học.
  • Một số mô hình thí điểm: Mô hình xử lý phân tán kết hợp tập trung tại thị trấn Lim (Bắc Ninh) với hiệu quả giảm COD 81-85%, BOD5 76-80%, SS 74-76%, $\text{NH}_4^+$ 95-97% phục vụ tưới lúa; hệ thống tuần hoàn nước thải sản xuất tại Công ty Cao su Phú Riềng; trạm xử lý nước thải thành phố Huế (công suất 30.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$) tái sử dụng 6.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ nước sau lọc đĩa tự động (SS < 10 mg/l) để sục rửa và vệ sinh; các bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang tại Xuân Mai, Kim Chung, Làng Hữu Nghị (Hà Nội), Bắc Kạn, Cao Bằng, Thái Bình, Hưng Yên.
  • Các công trình nghiên cứu trong nước: Công nghệ AA/O kết hợp giá thể sợi dính bám; công nghệ MBBR với giá thể K3; ứng dụng chế phẩm vi sinh; lọc sinh học cải tiến sử dụng Ejector thu khí tại Bệnh viện Điều dưỡng Đà Nẵng; lọc màng xử lý nước thải kênh tiêu hở tại Long Hải (Bà Rịa - Vũng Tàu).

Khoảng trống nghiên cứu: Các nghiên cứu trong nước chủ yếu dừng lại ở xử lý nước thải bậc II phục vụ xả thải bảo vệ môi trường hoặc tái sử dụng phân tán cho nông nghiệp. Các ứng dụng tái sử dụng cho dịch vụ đô thị chỉ mang tính tự phát, quy mô đơn lẻ. Chưa có nghiên cứu xác định quy trình công nghệ chuẩn hóa, xây dựng cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế chi tiết cho bể lọc sử dụng vật liệu lọc đa năng ODM-2F nhằm khử triệt để SS trong xử lý nâng cao nước thải phục vụ cấp nước chữa cháy, tưới cây và rửa đường đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Luận án dựa trên các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật và lý thuyết chuyển hóa sinh hóa, cơ lý:

  • Tiêu chuẩn nước đầu vào và đầu ra: Nước thải trước xử lý nâng cao giả thiết đạt loại A hoặc loại B theo QCVN 14:2008/BTNMT. Chất lượng nước sau xử lý nâng cao định hướng đáp ứng TCVN 12180-2:2017 và Hướng dẫn EPA 2012 cho tái sử dụng đô thị không hạn chế tiếp xúc.
Thông số Nước thải trước xử lý nâng cao (Loại A) Nước thải trước xử lý nâng cao (Loại B) Nước sau xử lý nâng cao đề xuất (Luận án)
pH 6 - 8 5 - 9 6 - 8
$\text{BOD}_5$ (mg/l) $\le 30$ $\le 50$ $\le 10$
COD (mg/l) $\le 50$ $\le 100$ -
Tổng chất rắn hòa tan (TDS) (mg/l) $\le 1.000$ $\le 3.000$ $\le 1.000 - 1.500$
Chất rắn lơ lửng (SS) (mg/l) $\le 50$ $\le 100$ $\le 10$
Độ đục (NTU) - - $\le 5$
$\text{NH}_4^+\text{-N}$ (mg/l) $\le 5$ $\le 10$ $\le 3$
$\text{PO}_4^{3-}$ (mg/l) $\le 4$ $\le 6$ $\le 2$
  • Lý thuyết khử chất hữu cơ (BOD): Quá trình hiếu khí qua 3 phản ứng: đồng hóa, dị hóa tạo tế bào mới ($\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2$) và tự phân hủy nội bào ($\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2 + 5\text{O}_2 \rightarrow 5\text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{NH}_3$). Nếu tế bào bị oxy hóa hoàn toàn, lượng COD của tế bào tương đương 1,42 lần nồng độ sinh khối. Quá trình kỵ khí diễn ra qua 3 bước: thủy phân lipit/monosacarit, lên men axit hữu cơ và tạo khí mêtan ($\text{CH}_4, \text{CO}_2$) nhờ vi khuẩn mêtan focmic.
  • Lý thuyết khử phốt pho sinh học: Trong điều kiện kỵ khí, vi khuẩn tích lũy phốt pho giải phóng orthophosphate để hấp thụ acetate và axit béo chuỗi ngắn tổng hợp poly-$\beta$-hydroxybutyrate (PHB) (cần 2 mg COD acetate cho 1 mg phốt pho). Trong điều kiện hiếu khí, vi khuẩn oxy hóa PHB và hấp thụ vượt mức orthophosphate tái tạo polyphosphate nội bào (hiệu suất đạt 2,0 - 2,5 mg $\text{PO}_4\text{-P/100 mg COD}$ đầu vào).
  • Lý thuyết khử nitơ sinh học: Diễn ra qua 2 giai đoạn:
    1. Nitrat hóa (hiếu khí): $\text{NH}_4^+ + 1{,}5\text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_2^- + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O}$ (vi khuẩn nitrit) và $\text{NO}_2^- + 0{,}5\text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_3^-$ (vi khuẩn nitrat). Để chuyển hóa 1 mg $\text{NH}_4^+$ cần tiêu thụ 3,97 mg $\text{O}_2$, 0,16 mg $\text{CO}_2$, sinh ra 0,31 mg tế bào mới và tiêu hao 7,01 mg độ kiềm.
    2. Khử nitrat (thiếu khí): $\text{NO}_3^- \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{NO} \rightarrow \text{N}_2\text{O} \rightarrow \text{N}_2$ nhờ vi khuẩn dị dưỡng với sự hỗ trợ của nguồn cacbon hữu cơ ngoại sinh hoặc nội sinh.
  • Các công nghệ sinh học được xem xét: Bardenpho sửa đổi (loại bỏ P $< 1$ mg/l, TN $< 5$ mg/l), AAO, UCT và MBBR (thời gian lưu bể anoxic 1,0 - 1,2 h; oxic 3,5 - 4,5 h; diện tích bề mặt biofilm 200 - 250 $\text{m}^2\text{/m}^3$; tải trọng BOD 1,0 - 1,4 $\text{kg/m}^3\text{.ngđ}$).
  • Lý thuyết lọc và vật liệu ODM-2F: Vật liệu lọc ODM-2F có nguồn gốc từ Nga, là chất hấp phụ đa năng tích hợp các quá trình xúc tác, tạo bông và lọc giữ cặn cơ học, có khả năng thay thế đồng thời cát thạch anh, than hoạt tính và hạt xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng kết hợp 8 phương pháp nghiên cứu:

  1. Phương pháp khảo sát và thu thập tài liệu: Thu thập số liệu 29 trạm xử lý nước thải tại Việt Nam, các mô hình tái sử dụng trên thế giới và hiện trạng trạm xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng.
  2. Phương pháp phân tích và tổng hợp số liệu: Xử lý chuỗi dữ liệu thực nghiệm, tính toán giá trị trung bình, thiết lập các bảng số liệu và đồ thị quan hệ phụ thuộc giữa các thông số công nghệ.
  3. Phương pháp kế thừa có chọn lọc: Kế thừa các công trình nghiên cứu về bể lọc hạt, vật liệu ODM-2F và công nghệ xử lý nước thải sinh học (MBBR, AAO).
  4. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thiết lập mô hình động học chuyển hóa BOD, N, P, cơ chế lọc bám dính cặn lơ lửng trong tầng vật liệu xốp và quy trình lựa chọn công nghệ.
  5. Phương pháp mô hình hóa: Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm cột lọc ODM-2F.
  6. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích trong phòng thí nghiệm: Đo đạc, phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước đầu vào và đầu ra cột lọc ($\text{BOD}_5$, SS, COD, N, P, độ đục) theo các phương pháp chuẩn TCVN và ISO.
  7. Phương pháp nghiên cứu chứng thực ứng dụng: Áp dụng quy trình tính toán thiết kế xây dựng được vào tính toán cụ thể cho trạm xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng.
  8. Phương pháp chuyên gia: Tổ chức các hội thảo bộ môn và hội thảo khoa học mở rộng để tiếp thu phản biện chuyên môn.

Nội dung chính theo từng chương

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

  • Thống kê hiện trạng xử lý nước thải đô thị Việt Nam với 29 trạm xử lý quy mô tập trung, tổng công suất thiết kế 769.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ và công suất thực tế 558.630 $\text{m}^3\text{/ngđ}$. Phân bố công trình không đồng đều giữa các vùng kinh tế trọng điểm (Đồng bằng sông Hồng, Đông Nam Bộ chiếm tỷ trọng lớn; miền núi phía Bắc và Tây Nguyên rất hạn chế).
  • Phân tích 5 mức độ xử lý nước thải: sơ bộ (preliminary), bậc I (primary), bậc I tăng cường (advanced primary), bậc II (secondary), bậc III (tertiary) và bậc cao (advanced). Xác định xử lý nâng cao là khâu tiếp nối sau xử lý bậc II để làm sạch cặn lơ lửng, chất hòa tan và vi sinh vật nhằm tái sử dụng.
  • Đánh giá các phương pháp xử lý nâng cao: lọc khối, lọc bề mặt bằng vải lọc (lỗ rỗng 10 - 30 $\mu\text{m}$), lọc màng (MF, UF, NF, RO), tuyển nổi khí hòa tan, hấp phụ than hoạt tính, trao đổi ion và oxy hóa nâng cao (AOPs).
  • Tổng kết thông số kỹ thuật các công trình lọc truyền thống và lọc hạt nổi (FPZ-1 đến FPZ-5), công trình sinh học MBBR (giá thể có diện tích bề mặt $350 - 1.200 \text{ m}^2\text{/m}^3$, độ rỗng 60 - 90%).
  • Đánh giá khả năng ứng dụng vật liệu lọc đa năng ODM-2F tại Nga (từ 1998) và Việt Nam (từ 2002 tại Diamond Plaza, Dutch Lady Bình Dương, KCN Tây Bắc Củ Chi, xử lý nước ngầm Tây Nguyên). Đề xuất sơ đồ dây chuyền tổng thể: Nước thải sau xử lý bậc II $\rightarrow$ Khử chất hữu cơ/dinh dưỡng bằng MBBR $\rightarrow$ Khử SS bằng lọc ODM-2F $\rightarrow$ Khử trùng $\rightarrow$ Tái sử dụng cấp nước chữa cháy, tưới cây, rửa đường.

Chương 2: Cơ sở khoa học lựa chọn công nghệ xử lý và lý thuyết xử lý nâng cao nước thải để tái sử dụng trong đô thị

  • Phân tích cơ sở lý thuyết động học các quá trình oxy hóa sinh hóa BOD hiếu khí và kỵ khí; cơ chế giải phóng phốt pho kỵ khí gắn liền với hấp phụ axit béo bay hơi và tích lũy polyphosphate hiếu khí; cơ chế nitrat hóa 2 bước và khử nitrat trong các hệ thống sinh học bùn hoạt tính và màng vi sinh dính bám.
  • Phân tích so sánh các cấu hình công nghệ sinh học khử đồng thời N và P: Bardenpho sửa đổi (5 bậc), AAO (3 ngăn kỵ khí - thiếu khí - hiếu khí), UCT (tuần hoàn bùn 2 cấp) và MBBR.
  • Xác lập yêu cầu chất lượng nước thải sau xử lý nâng cao phục vụ cho các nhóm dịch vụ đô thị (phun rửa đường, tưới cây, rửa xe, xây dựng) dựa trên TCVN 12180-2:2017 và hướng dẫn US EPA 2012. Kiến nghị các ngưỡng giới hạn kiểm soát chính: $\text{pH} = 6 - 8$; $\text{BOD}_5 \le 10 \text{ mg/l}$; $\text{SS} \le 10 \text{ mg/l}$; độ đục $\le 5 \text{ NTU}$; $\text{NH}_4^+\text{-N} \le 3 \text{ mg/l}$; $\text{PO}_4^{3-} \le 2 \text{ mg/l}$.

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

  • Lựa chọn giải pháp công nghệ kết hợp: Khâu khử chất hữu cơ và dinh dưỡng sử dụng công nghệ màng sinh học giá thể di động (MBBR); khâu xử lý cơ lý khử cặn lơ lửng sử dụng bể lọc hạt nhanh với vật liệu lọc đa năng ODM-2F.
  • Thiết lập mô hình thí nghiệm cột lọc ODM-2F để nghiên cứu động học quá trình giữ cặn, xác định mối quan hệ giữa chiều dày lớp vật liệu lọc, vận tốc lọc, hàm lượng SS đầu vào với chất lượng nước sau lọc và sự tổn thất áp lực theo thời gian.
  • Phân tích dữ liệu thực nghiệm theo các tiêu chuẩn TCVN/ISO, chứng minh hiệu quả khử chất rắn lơ lửng của tầng hạt ODM-2F đạt chất lượng nước đầu ra với $\text{SS} \le 10 \text{ mg/l}$, đáp ứng yêu cầu tái sử dụng cho các dịch vụ đô thị.

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

  • Thiết lập phương pháp tính toán thiết kế công trình lọc ODM-2F gồm quy trình 5 bước:
    1. Bước 1 - Xác định nhu cầu dùng nước tái sử dụng trong đô thị:
      • Đô thị loại III trở lên: $Q_{cnđt(III,tsd)} = 0{,}6125 \cdot q_o \cdot N$
      • Đô thị loại IV và V: $Q_{cnđt(IV,tsd)} = 0{,}54 \cdot q_o \cdot N$ (trong đó $q_o$ là tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt, $N$ là quy mô dân số).
    2. Bước 2 - Xác định chu kỳ lọc và chiều dày tầng vật liệu lọc: Chọn chu kỳ lọc $T$ theo đồ thị thực nghiệm (Hình 4.3 trong luận án) và tính toán kiểm tra chiều dày lớp lọc $x$ theo công thức lý thuyết: $$T = \frac{H_{gh} - H_o}{H_o} \cdot \frac{b}{F(A)} \cdot x^a$$ (với $H_{gh}, H_o$ lần lượt là tổn thất áp lực giới hạn và ban đầu; $a, b$ là các thông số thực nghiệm).
    3. Bước 3 - Xác định diện tích lọc tổng cộng: Tính toán diện tích bề mặt lọc cần thiết dựa trên lưu lượng tính toán và vận tốc lọc danh định.
    4. Bước 4 - Xác định số lượng bể lọc và kiểm tra vận tốc lọc tăng cường: Phân chia số đơn nguyên bể lọc và kiểm tra vận tốc lọc khi có một bể ngừng hoạt động để rửa lọc.
    5. Bước 5 - Tính toán hệ thống phân phối nước lọc và hệ thống rửa lọc: Xác định kích thước mạng lưới phân phối, cường độ và thời gian sục rửa ngược định kỳ.
  • Áp dụng tính toán thiết kế cho trạm xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng, chứng minh tính khả thi về kỹ thuật, hiệu quả kinh tế (giảm chi phí khai thác nước sạch) và lợi ích bảo vệ môi trường.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt khoa học lý luận và thực tiễn kỹ thuật:

  1. Đóng góp về mặt lý luận: Thiết lập được cơ sở khoa học và xây dựng các mối quan hệ phụ thuộc định lượng giữa các thông số công nghệ của quá trình lọc qua hạt vật liệu ODM-2F (chiều dày lớp lọc, vận tốc lọc, tổn thất áp lực, chu kỳ lọc) với chỉ tiêu chất lượng nước sau xử lý (đặc biệt là hàm lượng cặn lơ lửng SS).
  2. Đóng góp về mặt phương pháp: Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp tính toán thiết kế công trình lọc ODM-2F phục vụ xử lý nâng cao nước thải sinh hoạt đô thị qua quy trình 5 bước rõ ràng, bao gồm công thức xác định lưu lượng nhu cầu nước tái sử dụng riêng cho từng loại đô thị ($Q_{cnđt(III,tsd)}$ và $Q_{cnđt(IV,tsd)}$) và phương trình xác định chu kỳ lọc/chiều dày lớp lọc.
  3. Đóng góp về mặt thực tiễn: Đề xuất dây chuyền công nghệ xử lý nâng cao kết hợp (MBBR và lọc ODM-2F) có tính ứng dụng cao; chứng minh tính khả thi kinh tế - kỹ thuật và hiệu quả môi trường của giải pháp thông qua áp dụng tính toán thiết kế cụ thể cho nhà máy xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng. Cung cấp tài liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu và đào tạo trong chuyên ngành Kỹ thuật Cơ sở Hạ tầng Đô thị và Cấp thoát nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nội dung trình bày trong văn bản:

  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tập trung chủ yếu vào mục tiêu loại bỏ cặn lơ lửng (SS) bằng vật liệu lọc ODM-2F phục vụ tái sử dụng cho các mục đích không dùng cho ăn uống (chữa cháy, tưới cây cảnh quan, rửa đường đô thị). Luận án chưa đi sâu khảo sát các quá trình khử chất ô nhiễm hòa tan bậc cao, kim loại nặng dạng vết hoặc vi lượng hữu cơ cho mục đích cấp nước ăn uống trực tiếp.
  • Mô hình ứng dụng tính toán thực tế được kiểm chứng điển hình tại trạm xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng (TP. Hà Nội). Các điều kiện nước thải đặc thù ở các quy mô vùng miền khác nhau cần tiếp tục được khảo sát mở rộng khi triển khai đại trà.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và học thuật trong ngành Kỹ thuật Môi trường và Kỹ thuật Cơ sở Hạ tầng:

  • Đối với kỹ sư thiết kế và cán bộ kỹ thuật cấp thoát nước: Có thể áp dụng trực tiếp quy trình tính toán 5 bước cùng các công thức giải tích tại Chương 4 để thiết kế các bể lọc hạt ODM-2F trong các trạm xử lý nước thải đô thị và khu dân cư mới.
  • Đối với cơ quan quản lý đô thị và nhà hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở định lượng về tiềm năng tái sử dụng nước thải sinh hoạt (chiếm 52 - 56% lượng nước thải sinh hoạt) và các căn cứ kỹ thuật để xây dựng tiêu chuẩn, định mức tái sử dụng tài nguyên nước trong đô thị.
  • Đối với giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Luận án cung cấp hệ thống số liệu tổng quan chi tiết về 29 trạm xử lý nước thải tại Việt Nam, các mô hình công nghệ MBBR, Bardenpho, AAO, UCT và phương pháp luận bố trí thực nghiệm mô hình lọc cột.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu lọc ODM-2F có đặc tính gì và được ứng dụng như thế nào trong xử lý nước?
Vật liệu ODM-2F có nguồn gốc từ Nga, là chất hấp phụ đa năng có khả năng kết hợp các công đoạn xúc tác, tạo bông và lọc giữ cặn trong cùng một thiết bị, có thể thay thế đồng thời cho cát thạch anh, than hoạt tính và hạt xúc tác. Tại Việt Nam, ODM-2F được sử dụng từ năm 2002 trong xử lý nước cấp (Diamond Plaza, Nhà máy sữa Dutch Lady Bình Dương, KCN Tây Bắc Củ Chi, các trạm cấp nước tại Tây Nguyên) và được luận án nghiên cứu ứng dụng để khử cặn lơ lửng trong xử lý nâng cao nước thải.

2. Nhu cầu dùng nước tái sử dụng trong đô thị được xác định theo công thức nào trong luận án?
Luận án xây dựng 2 công thức xác định lưu lượng nước tái sử dụng:

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

3. Phương pháp tính toán thiết kế công trình lọc ODM-2F gồm các bước nào?
Phương pháp tính toán do luận án xây dựng gồm 5 bước: (1) Xác định nhu cầu dùng nước tái sử dụng; (2) Chọn chu kỳ lọc $T$ theo đồ thị thực nghiệm và xác định chiều dày lớp lọc $x$ theo công thức lý thuyết; (3) Xác định diện tích lọc tổng cộng; (4) Xác định số lượng bể lọc và kiểm tra vận tốc lọc tăng cường; (5) Tính toán hệ thống phân phối nước lọc và hệ thống rửa lọc.

4. Chất lượng nước thải sau xử lý nâng cao đề xuất trong luận án đáp ứng những chỉ tiêu nào?
Chất lượng nước thải sau xử lý nâng cao phục vụ cấp nước chữa cháy, tưới cây và rửa đường đô thị được kiến nghị đạt: $\text{pH} = 6 \div 8$; độ đục $\le 5 \text{ NTU}$; $\text{BOD}_5 \le 10 \text{ mg/l}$; $\text{SS} \le 10 \text{ mg/l}$; $\text{NH}_4^+\text{-N} \le 3 \text{ mg/l}$; $\text{PO}_4^{3-} \le 2 \text{ mg/l}$ và giảm mùi hôi.

5. Luận án đề xuất dây chuyền công nghệ xử lý nâng cao tổng thể kết hợp những công đoạn nào?
Nước thải sau khi qua xử lý sinh học bậc II tại trạm xử lý tập trung sẽ được đưa qua công trình lọc màng sinh học giá thể di động (MBBR) để khử chất hữu cơ và chất dinh dưỡng (N, P), tiếp theo qua công trình lọc vật liệu đa năng ODM-2F để loại bỏ cặn lơ lửng (SS), sau đó khử trùng trước khi đưa vào mạng lưới phân phối cấp nước chữa cháy, tưới cây và rửa đường đô thị.

Kết luận

Luận án đã giải quyết vấn đề kỹ thuật xử lý nâng cao nước thải sinh hoạt đô thị sau bậc hai nhằm mục đích tái sử dụng cho các dịch vụ đô thị không dùng cho ăn uống. Thông qua nghiên cứu lý thuyết chuyển hóa chất bẩn và thực nghiệm mô hình cột lọc sử dụng vật liệu đa năng ODM-2F, tác giả đã chứng minh hiệu quả khử cặn lơ lửng đạt giới hạn SS $\le 10$ mg/l và độ đục $\le 5$ NTU. Đóng góp nổi bật của luận án là xây dựng được phương pháp tính toán thiết kế công trình lọc ODM-2F gồm 5 bước kèm theo các công thức xác định nhu cầu dùng nước tái sử dụng và chu kỳ lọc. Kết quả nghiên cứu áp dụng cho trạm xử lý nước thải khu đô thị huyện Đan Phượng khẳng định tính khả thi kỹ thuật, mang lại lợi ích kinh tế và góp phần bảo vệ tài nguyên nước đô thị bền vững.